第六講 反應器單元的仿真設計(一)

1、化工CAD基礎 第六講,Simulation Design of Chemical Reactors 反應器單元 的仿真設計 (一),反應器模塊的類別,生產能力類反應器（2種）熱力學平衡類反應器（2種）化學動力學類反應器（3種）,分為三大類七種反應器：,反應器模塊的類別（2）,,生產能力類反應器,1、化學計量反應器（RStoic） Stoichiometric

2、Reactor2、產率反應器（RYield） Yield Reactor,由用戶指定生產能力，不考慮熱力學可能性和動力學可行性。包含兩種反應器。,,RStoic—化學計量反應器,,性質：按照化學反應方程式中的計量關系進行反應，有并行反應和串聯反應兩種方式，分別指定每一反應的轉化率或產量。,用途：已知化學反應方程式和每一反應的轉化率或產量，不知化學動力學關系。,RStoic—化學計量反應器（2）,,RStoic ——

3、 連接,RStoic —— 模型參數,RStoic 模塊有七組模型參數：,,1、模型設定 (Specifications)2、化學反應 (Reactions)3、燃燒 (Combustion)4、反應熱 (Heat of Reaction)5、選擇性 (Selectivity)6、粒度分布 (PSD)7、組分屬性 (Component Attr.),R

4、Stoic —— 模型設定,設定操作條件和有效相態(tài)：,1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力 (Pressure) (2) 溫度/熱負荷 (Temperature/Heat duty)2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水,RStoic —— 模型設定（2）,,

5、RStoic —— 化學反應,定義RStoic中進行的每一個化學反應的編號、化學計量關系、產物生成速率或反應物轉化率。并指明計算多個反應的轉化率時是否按照串聯反應方式計算。,RStoic —— 化學反應（2）,RStoic —— 化學反應（3）,,RStoic ——　反應熱,設定反應熱的計算類型(Calculation type)和參照條件(Reference condition) ： 1、不計算反應熱 (

6、Do not calculate heat of reaction) 2、計算反應熱 (Calculate heat of reaction) 3、用戶指定反應熱 (Specify heat of reaction),RStoic ——　反應熱,,RStoic —— 選擇性,計算對于選定組分的選擇性，其定義為：,△P代表選定組分 (selected) P的生成摩爾數；△A代表參照

7、組分 (reference) A的消耗摩爾數；real 代表反應器內的實際情況；ideal 代表只有 A→P 一個反應發(fā)生時的情況。,RStoic —— 選擇性（2）,,RStoic — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。 若反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為750 ℃，當反應器出口處CH4轉化率為

8、73%時，CO2和H2的產量是多少？反應熱負荷是多少？,RStoic — 示例（2）,反應和原料同示例（1），若反應在恒壓及絕熱條件下進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，反應器進口溫度為950 ℃，當反應器出口處CH4轉化率為73%時，反應器出口溫度是多少？,RStoic — 示例（3）,,在示例(1)中增加甲烷部分氧化反應如下式：,并在原料氣中加入15 kmol/hr的氧氣。若上述兩個反應中CH4轉化率均為43%時， 產品物流中CO

9、、 H2O、CO2 和H2的流量各是多少？如果將反應設為串聯進行，上述流量又各是多少？ 以上兩個反應的反應熱各是多少？,RYield——產率反應器,,性質：根據每一種產與輸入物流間的產率關系進行反應，只考慮總質量平衡，不考慮元素平衡。,用途：只知化學反應式和各產物間的相對產率，不知化學計量關系。,RYield——產率反應器（2）,,RYield —— 連接,RYield —— 模型參數,RYield 模塊有六組模型參數

10、：,1、模型設定 (Specifications)2、產率 (Yield)3、閃蒸選項 (Flash Options)4、粒度分布 (PSD)5、組分屬性 (Comp. Attr.)6、組分映射 (Comp. Mapping),,RYield —— 模型設定,模型設定包含操作條件設定和有效相態(tài)設定：,1、操作條件 (Operation Conditions) (

11、1) 壓強； (2) 溫度/熱負荷/溫度改變 2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水,RYield —— 模型設定（2）,,RYield —— 產率,產率設置有四個選項： 1、組分產率 (Component yields) 2、組分映射 (Component mapping) 3、石油餾分表征 (Pet

12、ro characterization) 4、用戶子程序 (User subroutine),RYield —— 產率（2）,RYield —— 組分產率,選擇組分產率選項時，需指定相對于每一單位質量非惰性進料而言，各種組分在出口物流中的相對產率。 還可以設定進料中的某些組分為不轉化為產物的惰性組分(Inert Components)。,RYield —— 組分產率（2）,RYield —— 組分映射,選擇組分

13、映射選項時，需在Comp. Mapping表單中設置各種結合(Lump)反應和分解 (De-lump)反應所涉及的組分之間的定量關系。,RYield —— 組分映射（2）,,RYield — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為 0.1013 MPa，溫度為 750 ℃，如果反應器出口物流中摩爾比率 CH4 ? H2

14、O : CO2 : H2 等于 1 : 2 : 3 : 4 時，CO2和H2的產量是多少？需要移走的反應熱負荷是多少？此結果是否滿足總質量平衡？是否滿足元素平衡？,RYield — 示例（2）,若在示例（1）的原料氣中加入 25 kmol/hr 氮氣，其余條件不變，計算結果會發(fā)生什么變化？,RYield — 示例（3）,以示例（2）的結果為基礎，在 Ryied 模塊的產率設置項中將氮氣設置為惰性組份，重新計算，結果如何？,,熱力學平衡

15、類反應器,1、平衡反應器（REquil） Equilibrium Reactor2、吉布斯反應器（RGibbs） Gibbs Reactor,根據熱力學平衡條件計算體系發(fā)生化學反應的結果，不考慮動力學可行性。 該類別包含兩種反應器。,,REquil——平衡反應器,,性質：根據化學反應方程式進行反應，按照化學平衡關系式達到化學平衡，并同時達到相平衡。,用途：已知反應歷程和平衡反應的反應方程式，不考

16、慮動力學可行性，計算同時達到化學平衡和相平衡的結果。,REquil—平衡反應器（2）,,REquil —— 連接,REquil —— 模型參數,REquil 模塊有四組模型參數：,1、模型設定 (Specifications)2、化學反應 (Reactions)3、收斂 (Convergence)4、液沫夾帶 (Entrainment),,REquil —— 模型設定,模型設定包含操作條件設定和

17、有效相態(tài)設定：,1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力； (2) 溫度/蒸汽分率/熱負荷 2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水,REquil —— 模型設定（2）,,REquil —— 化學反應,定義REquil中進行的每一個化學反應的編號、化學計量關系、產物生成比速率

18、(Extend)或趨近平衡溫度(Temperature Approach)。比速率=速率/化學計量系數趨近平衡溫度=△T意指在T+△T下計算化學反應平衡,REquil —— 化學反應（2）,REquil —— 化學反應（3）,,REquil — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。若反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為7

19、50 ℃，當反應器出口處達到平衡時，CO2和H2的產量是多少？反應熱負荷是多少？,,REquil —— 示例（2）,分析示例（1）中反應溫度在300~1000 ℃范圍變化時對反應器出口物流CH4質量分率的影響。,REquil — 示例（3）,將示例(1)中的反應溫度設為1000 ℃，分別分析反應(1)和反應(2)的趨近平衡溫度在 –200 ~ 0 ℃范圍變化時對反應器出口物流CH4質量分率和CO/CO2摩爾比的影響。,,RGibbs—吉

20、布斯反應器,,性質：根據系統(tǒng)的Gibbs自由能趨于最小值的原則，計算同時達到化學平衡和相平衡時的系統(tǒng)組成和相分布。,用途：已知化學反應式，不知道反應歷程和動力學可行性，估算可能達到的化學平衡和相平衡結果。,RGibbs—吉布斯反應器 (2),,RGibbs —— 連接,,RGibbs —— 模型參數,RGibbs 模塊有五組模型參數：,1、模型設定 (Specifications)2、產物 (Products)3、指定物流 (As

21、sign Steams) 4、惰性物 (Inerts)5、限制平衡 (Restricted Equilibrium),,RGibbs —— 模型設定,模型設定包含操作條件、計算選項和相態(tài)設定：,1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力； (2) 溫度/熱負荷 2、計算選項 (Calculation Options) 僅計算相平衡/同時計算化學平衡和相平衡/是否限制化學

22、平衡3、相態(tài) (Phases) 輸入存在的相態(tài)數。,RGibbs —— 模型設定,,RGibbs —— 產物,有三種選擇：,1、系統(tǒng)中的所有組分都可以是產物； RGibbs considers all components as products2、指定可能的產物組分； Identify possible products3、定義產物存在的相態(tài)。 Define phases

23、in which products appear,RGibbs —— 產物 (2),1、系統(tǒng)中的所有組分都可以是產物；,RGibbs —— 產物 (3),2、指定可能的產物組分,RGibbs —— 產物 (4),3、定義產物存在的相態(tài),,RGibbs —— 指定物流,有兩種選擇：,1、自動指定出口物流相態(tài)； RGibbs assigns phases to outlet streams 2、使用關鍵組分和截尾摩爾

24、分率指定出口物流相態(tài)； Use key components & cutoff mole fraction to assigns phases to outlet streams,RGibbs —— 指定物流（2）,2、使用關鍵組分和截尾摩爾分率……,,RGibbs —— 惰性物,指定不參加化學反應平衡的惰性組分(Inerts)及其不參加反應的摩爾流量(Mole flow)或分率(Fraction)。,RGibb

25、s —— 惰性物 (2),,RGibbs —— 限制平衡,有兩種選擇：,1、設定整個系統(tǒng)的趨近平衡溫度 Entire system with temperature approach 2、指定各個化學反應趨近平衡的溫度 Individual reaction,RGibbs —— 限制平衡 (2),1、設定整個系統(tǒng)的趨近平衡溫度；,RGibbs —— 限制平衡 (3),2、指定各個化學反應趨近平衡的

26、溫度,,RGibbs — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。若反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為750 ℃，當反應器出口處達到平衡時，CO2和H2的產量是多少？反應熱負荷是多少？與REquil的結果進行比較。,,RGibbs — 示例（2）,若在示例(1)中的原料氣中加入25 kmol/hr 的氮氣，并考慮氮與氫結合生成