AspenPlus初级课程-反应器单元.ppt

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1、Aspen Plus 使用方法,Reactor Models 反应器模块,反应器模块的类别,生产能力类反应器（2种）热力学平衡类反应器（2种）化学动力学类反应器（3种）,分为三大类七种反应器：,生产能力类反应器,1、化学计量反应器（RStoic）Stoichiometric Reactor2、产率反应器（RYield）Yield Reactor,由用户指定生产能力，不考虑热力学可能性和动力学可行性。包含两种反应器。,RStoic 化学计量反应器,性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有并行反应和串联反应两种方式，分别指定每一反应的转化率或产量。,用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化

2、率或产量，不知化学动力学关系。,RStoic 连接,RStoic 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750，当反应器出口处CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？,RStoic 示例（2）,反应和原料同示例（1），若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，反应器进口温度为950，当反应器出口处CH4转化率为73%时，反应器出口温度是多少？,RYield产率反应器,性质：根据每一种产与输入物流间的产

3、率关系进行反应，只考虑总质量平衡，不考虑元素平衡。,用途：只知化学反应式和各产物间的相对产率，不知化学计量关系。,RYield 连接,RYield 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750，如果反应器出口物流中摩尔比率CH4 H2O:CO2:H2等于1:2:3:4时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？,RYield 示例（2）,若在示例（1）的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气

4、，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？,RYield 示例（3）,以示例（2）的结果为基础，在Ryied模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？,热力学平衡类反应器,1、平衡反应器（REquil）Equilibrium Reactor2、吉布斯反应器（RGibbs）Gibbs Reactor,根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。包含两种反应器。,REquil平衡反应器,性质：根据化学反应方程式进行反应，按照化学平衡关系式达到化学平衡，并同时达到相平衡。,用途：已知反应历程和平衡反应的反应方程式，不考虑动力学可行性，计算同时达到化学平衡和相平衡的结果。,RE

5、quil 连接,REquil 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？,REquil 示例（2）,分析示例（1）中反应温度在3001000 范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。,REquil 示例（3）,将示例(1)中的反应温度设为1000，分别分析反应(1)和反应(2)的趋近平衡温度在 200 0 范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的

6、影响。,RGibbs吉布斯反应器,性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。,用途：已知化学反应式，不知道反应历程和动力学可行性，估算可能达到的化学平衡和相平衡结果。,RGibbs 连接,RGibbs 示例（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？与REquil的结果进行比较。,RGibbs 示例（2）,若在示例(1)中的

7、原料气中加入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH4和NH3的质量分率。如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？,化学动力学类反应器,1、全混釜反应器（RCSTR）Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反应器（RPlug）Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器（RBatch)Batch Reactor,根据化学动力学计算反应结果。包含三种反应器。,RCSTR全混釜反应器,性质：釜内达到理想混合。可模拟单、两、三相的体系，并可处理固体。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。,用途：已知化学反应式、动力学方

8、程和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。,RCSTR 连接,RCSTR 模型参数,RCSTR模块有两组模型参数：,1、操作条件(Operation Conditions)1)压力(Pressure)2)温度/热负荷(Temperature/Heat Duty),RCSTR 模型参数,RCSTR模块有两组模型参数：,2、持料状态(Holdup)1)有效相态(Valid Phases)2)设定方式(Specification Type),RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,1、反应器体积(Reactor Volume)只需输入反应器的体积。,RCSTR 设定方

9、式,设定方式有 7 个可选项：,2、停留时间(Residence Time)只需输入物料在反应器中的平均停留时间。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,3、反应器体积和相体积(Reactor Volume&Phase Volume)必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,4、反应器体积和相体积分率(Reactor Volume&Phase Volume Fraction)必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积分率。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,5、反应器体积和相停留时间(Reactor Volume

10、&Phase Residence Time)必须输入反应器体积和气相/凝聚相在反应器中的停留时间。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,6、停留时间和相体积分率(Residence Time&Phase Volume Fraction)必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相/凝聚相所占的体积分率。,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,7、相停留时间和体积分率(Phase Residence Time&Volume Fraction)必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留时间和所占的体积分率。,RCSTR 选择反应,RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对

11、象来设定。,Reactions 化学反应对象,用途：为三类动力学反应器模块和RadFrac 模块提供反应的计量关系、平衡关系和动力学关系。,Reactions 对象类型,创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。我们可用的类型有三种：1、LHHW 型(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)2、幂律型(Power Law)3、反应精馏型(Reac-Dist),Reactions 反应设定,每一个化学反应对象可以包含多个化学反应，每个反应都要设定计量学参数和动力学参数/平衡参数。1、计量学参数(Stoichiometry)2、动力学参数(Kinetic)3、

12、平衡参数(Equilibrium),RCSTR 示例（1）,甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：,反应器容积为5m3，装填系数为0.6，输入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保持在0.001左右。加料氨水的浓度为4.1kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为6.3 kmol/m3，流量为32.5m3/hr。求35C下乌洛托品的产量和输入氮气流量，并分析反应温度在2060C范围里对甲醛转化率的影响。,反应速率方程式如右：,式中：,RPlug 平推流反应器,性质：反应器内完全没有返混。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制

13、反应。可模拟换热夹套。,用途：已知化学反应式和动力学方程，计算所能达到的转化率，或所需的反应器体积，以及反应器热负荷。,RPlug 连接(1),RPlug 连接(2),RPlug 示例（1）,丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：,反应器长5米、内径0.5米，压降可忽略。加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440C。如果反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到12%，试求环己烯的产量。,反应速率方程式如右：,式中：,RPlug 示例（2）,作出示例(1)中温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图。分析反应器压力在0.11.0 MPa 范围内对环己烯产量的影响。,RBatch

14、间歇釜反应器,性质：间歇或半间歇操作的搅拌釜，釜内达到理想混合。自动根据加料和辅助时间提供缓冲罐，实现与连续过程的连接。,用途：已知化学反应式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。,RBatch 连接,RBatch 示例（1）,乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：,在间歇搅拌釜中等温反应，T=100C，P=3bar，操作周期2.5hr。加料为水溶液，T=40C，处理量1m3/hr，含乙醇10.2 kmol/m3、乙酸3.908 kmol/m3。求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。,反应速率方程式如下：,式

15、中：,RBatch 示例（2）,考虑到釜液升/降温的影响，操作周期延长到3hr，并按以下升/降温程序操作：t=0,T=40C;t=15min,T=80C;t=30min,T=100C;t=110min,T=100C;t=140min,T=40C。求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。,如果示例(1)反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：,RBatch 示例（3）,如果将示例(2)的操作时间设置改为间歇加料时间2hr，停止时间1hr，求乙酸转化率为35%的反应时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积。,RBatch 示例（4）,如果将示例(3)的反应釜用100的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积 6 m2，传热系数500 W/m2K，求乙酸转化率为35%的反应时间，釜液温度随时间变化的剖型。,