微機化工應(yīng)用：反應(yīng)器模擬與優(yōu)化

1、反應(yīng)器模擬與優(yōu)化反應(yīng)器模擬與優(yōu)化1. 生成能力類反應(yīng)器生成能力類反應(yīng)器(以物料平衡為基礎(chǔ)以物料平衡為基礎(chǔ))化學計量反應(yīng)器化學計量反應(yīng)器 (RStoic)產(chǎn)率反應(yīng)器產(chǎn)率反應(yīng)器 (RYield)2. 平衡類反應(yīng)器平衡類反應(yīng)器(以反應(yīng)平衡為基礎(chǔ)以反應(yīng)平衡為基礎(chǔ))平衡反應(yīng)器平衡反應(yīng)器 (REquil)吉布斯反應(yīng)器吉布斯反應(yīng)器 (RGibbs)3. 動力學類反應(yīng)器動力學類反應(yīng)器(以動力學為基礎(chǔ)以動力學為基礎(chǔ))全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器 (RCSTR)平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器 (RPlug)間歇式反應(yīng)器間歇式反應(yīng)器 (RBatch)12化學反應(yīng)器是整個化工工藝流程的核心，化學反應(yīng)器是整個化工工藝流程的核心，

2、是實現(xiàn)化學物質(zhì)轉(zhuǎn)化的必要工序。是實現(xiàn)化學物質(zhì)轉(zhuǎn)化的必要工序。3為保證目的產(chǎn)品組分的產(chǎn)率和選擇性，必為保證目的產(chǎn)品組分的產(chǎn)率和選擇性，必須選擇適宜的反應(yīng)器類型和反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。須選擇適宜的反應(yīng)器類型和反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。PFRC STRC STRPFRPFRC STRC STRPFR4本講目的熟悉模擬軟件中可獲得的反應(yīng)器模型類型以熟悉模擬軟件中可獲得的反應(yīng)器模型類型以及它們在過程模擬中的應(yīng)用；及它們在過程模擬中的應(yīng)用；了解特定的反應(yīng)過程的特點，選擇相適應(yīng)的了解特定的反應(yīng)過程的特點，選擇相適應(yīng)的反應(yīng)器類型或反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，保證所需產(chǎn)品組反應(yīng)器類型或反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，保證所需產(chǎn)品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。分足夠的產(chǎn)率和選擇

3、性。5（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器Rstoic 化學計量反應(yīng)器化學計量反應(yīng)器性質(zhì)：按照化學反應(yīng)方程式中的計量關(guān)系進按照化學反應(yīng)方程式中的計量關(guān)系進行反應(yīng)，有并行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)兩種方式，行反應(yīng)，有并行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)兩種方式，分別指定每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)量。分別指定每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)量。用途：已知化學反應(yīng)方程式和每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)已知化學反應(yīng)方程式和每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，不知化學動力學關(guān)系。化率，不知化學動力學關(guān)系。6Rstoic 化學計量反應(yīng)器化學計量反應(yīng)器 模型參數(shù)7RStoic 選擇性選擇性8idealrealAPAPAPS/,P代表選定組分代表選定組分 (selected) P的生

4、成摩爾數(shù)；的生成摩爾數(shù)；A代表參照組分代表參照組分 (reference) A的消耗摩爾數(shù)；的消耗摩爾數(shù)；real 代表反應(yīng)器內(nèi)的實際情況；代表反應(yīng)器內(nèi)的實際情況；ideal 代表只有代表只有AP一個反應(yīng)發(fā)生時的情況。一個反應(yīng)發(fā)生時的情況。RStoic計算例計算例1922244HCOO2HCH 10（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器RyieldRyield產(chǎn)率反應(yīng)器產(chǎn)率反應(yīng)器11性質(zhì)：根據(jù)每一種產(chǎn)品與輸入物流間的產(chǎn)率關(guān)系進行反應(yīng)，只考慮總質(zhì)量平衡，不考慮元素平衡。用途：只知化學反應(yīng)式和各產(chǎn)物間的相對產(chǎn)率，不知化學計量關(guān)系。產(chǎn)率指的是某種生成物的實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值！RYield

5、模塊有五組模型參數(shù)：1、模型設(shè)定 (Specifications)2、產(chǎn)率 (Yield)3、閃蒸選項 (Flash Options)4、粒度分布 (PSD)5、組分屬性 (Component Attr.)12RYield 產(chǎn)率13RYield 例21422244HCOO2HCH（二）熱力學平衡類反應(yīng)器（二）熱力學平衡類反應(yīng)器根據(jù)熱力學平衡條件計算反應(yīng)結(jié)果，不根據(jù)熱力學平衡條件計算反應(yīng)結(jié)果，不考慮動力學可行性?？紤]動力學可行性。15REquil 平衡反應(yīng)器平衡反應(yīng)器性質(zhì)：根據(jù)化學反應(yīng)方程式進行反應(yīng)，按照根據(jù)化學反應(yīng)方程式進行反應(yīng)，按照化學平衡關(guān)系式達到化學平衡，并同時達到化學平衡關(guān)系式達到化學

6、平衡，并同時達到相平衡。相平衡。用途：已知反應(yīng)歷程和平衡反應(yīng)的反應(yīng)方程已知反應(yīng)歷程和平衡反應(yīng)的反應(yīng)方程式，不考慮動力學可行性，計算同時達到化式，不考慮動力學可行性，計算同時達到化學平衡和相平衡的結(jié)果。學平衡和相平衡的結(jié)果。16REquil 模型參數(shù)模型參數(shù)模塊有四組模型參數(shù)：模塊有四組模型參數(shù)：17：1、操作條件操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力；壓力； (2) 溫度溫度/蒸汽分率蒸汽分率/熱負荷熱負荷 2、有效相態(tài)有效相態(tài) (Valid Phases) 汽汽 / 液液 / 固固 / 汽汽-液液 / 汽汽-液液-液液 / 液液-游離水游離水 / 汽汽-液液-游

7、離水游離水18KRTGln2lnRTHdTKdR(標準狀態(tài)下）（其它溫度下）化學平衡常數(shù)化學平衡常數(shù)19吉布斯自由能的變化范特霍夫方程REquil 由Gibbs 自由能計算平衡常數(shù)。你能夠通過下列之一限制平衡：（1）任何反應(yīng)的摩爾程度（2）化學平衡接近溫度對任何反應(yīng)T=Treaction - T (吸熱反應(yīng)）T=TReaction+T (放熱反應(yīng)）接近溫度如果你規(guī)定接近溫度T ，則REquil 估計在T+T時的化學平衡常數(shù)。這里的 T 是反應(yīng)溫度（規(guī)定的或計算的）。2021甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：2243HCOOHCH原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾

8、比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 4，流量，流量為為100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為，溫度為750 ，當反應(yīng)器出口處達到平衡時，當反應(yīng)器出口處達到平衡時，CO2和和H2的產(chǎn)量的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負荷是多少？是多少？反應(yīng)熱負荷是多少？ 222HCOOHCO22 RGibbsRGibbs吉布斯反應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)的根據(jù)系統(tǒng)的GibbsGibbs自由能趨于最小值的原則，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。分布

9、。用途：用途：已知（或未知）化學反應(yīng)式，不知道反應(yīng)歷已知（或未知）化學反應(yīng)式，不知道反應(yīng)歷程和動力學可行性，估算可能達到的化學平衡和相程和動力學可行性，估算可能達到的化學平衡和相平衡結(jié)果。平衡結(jié)果。23 對單相系統(tǒng)，規(guī)定對單相系統(tǒng)，規(guī)定T和和P下的總吉布斯能由下式下的總吉布斯能由下式給出給出: 式中式中Ni和和 分別是平衡混合物中組分分別是平衡混合物中組分i的摩爾數(shù)的摩爾數(shù)和偏摩爾吉布斯能。組分包括進料組分及可能和偏摩爾吉布斯能。組分包括進料組分及可能由化學反應(yīng)產(chǎn)生的組分。由化學反應(yīng)產(chǎn)生的組分。在受原子衡算約束的在受原子衡算約束的條件下，條件下，總吉布斯能對總吉布斯能對Ni最小化。這種方法容最

10、小化。這種方法容易推廣到多相系統(tǒng)。易推廣到多相系統(tǒng)。CiiiGNG124iG25在恒溫恒壓且無非體積功的條件下，自發(fā)過程總是向著吉布斯函數(shù)減少的方向進行，直至系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)不再改變(dG0)，或者減少到該條件下的最小值時，系統(tǒng)便處于平衡態(tài)。26有三種選擇：有三種選擇：27282930有兩種選擇：有兩種選擇：31RGibbs 指定物流（2）323334RGibbs 限制平衡限制平衡有兩種選擇：有兩種選擇：35RGibbs 限制平衡限制平衡 (2)36RGibbs 限制平衡限制平衡 (3)2、指定各個化學反應(yīng)平衡溫差、指定各個化學反應(yīng)平衡溫差37 RGibbs 例例4甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)

11、化反應(yīng)為：甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：2243HCOOHCH原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 4，流量為，流量為100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為為0.1013 MPa，溫度為，溫度為750 ，當反應(yīng)器出口處達到，當反應(yīng)器出口處達到平衡時，平衡時，CO2和和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負荷是多少？的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負荷是多少？與與Re的結(jié)果進行比較。的結(jié)果進行比較。 222HCOOHCO38Gibbs反應(yīng)器的評價反應(yīng)器的評價優(yōu)點：優(yōu)點：1)可避免寫出化學計量方程的必要性（只需要可避免寫出

12、化學計量方程的必要性（只需要規(guī)定可能的產(chǎn)物）規(guī)定可能的產(chǎn)物）2)容易構(gòu)造多相和同時存在相平衡的計算問題容易構(gòu)造多相和同時存在相平衡的計算問題缺點：缺點： 可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果，因為它們隱含動力學可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果，因為它們隱含動力學上不可能的反應(yīng)。上不可能的反應(yīng)。39（三）化學動力學類反應(yīng)器（三）化學動力學類反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率和平衡反應(yīng)器模型在過程設(shè)計的初期進行轉(zhuǎn)化率和平衡反應(yīng)器模型在過程設(shè)計的初期進行物料和能量衡算研究時是有用的。但是，最終反物料和能量衡算研究時是有用的。但是，最終反應(yīng)器系統(tǒng)必須確定結(jié)構(gòu)和大小，在實驗室研究獲應(yīng)器系統(tǒng)必須確定結(jié)構(gòu)和大小，在實驗室研究獲得化學動力學的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上

13、即可進行反應(yīng)得化學動力學的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上即可進行反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計。器結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計。401、全混釜反應(yīng)器、全混釜反應(yīng)器 Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器Plug Flow Reactor3、間歇釜反應(yīng)器、間歇釜反應(yīng)器Batch Reactor根據(jù)化學動力學計算反應(yīng)結(jié)果根據(jù)化學動力學計算反應(yīng)結(jié)果41CSTR 全混釜反應(yīng)器全混釜反應(yīng)器最簡單的動力學反應(yīng)器模型是最簡單的動力學反應(yīng)器模型是CSTR（連續(xù)攪拌（連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器），在該模型中反應(yīng)器內(nèi)物料假定為釜式反應(yīng)器），在該模型中反應(yīng)器內(nèi)物料假定為理想混合。于是，假定整個反應(yīng)器體積

14、的組成和理想混合。于是，假定整個反應(yīng)器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度是均勻的，并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度。溫度。42性質(zhì)：性質(zhì)：釜內(nèi)達到理想混合?？赡M單相、兩釜內(nèi)達到理想混合?？赡M單相、兩相的體系?？赏瑫r處理動力學控制和平衡控相的體系。可同時處理動力學控制和平衡控制兩類反應(yīng)。制兩類反應(yīng)。用途：用途：已知化學反應(yīng)式、動力學方程和平衡已知化學反應(yīng)式、動力學方程和平衡關(guān)系，計算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時間，關(guān)系，計算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時間，以及反應(yīng)器熱負荷。以及反應(yīng)器熱負荷。CSTR 全混釜反應(yīng)器全混釜反應(yīng)器43RCSTR模塊有兩組模型參數(shù)：模塊有兩組模型參數(shù)

15、：1、操作條件操作條件 (Operation Conditions) 1) 壓力壓力 (Pressure) 2) 溫度溫度/熱負荷熱負荷(Temperature/Heat Duty)2、持料狀態(tài)持料狀態(tài) (Holdup) 1) 有效相態(tài)有效相態(tài) (Valid Phases) 2) 設(shè)定方式設(shè)定方式 (Specification Type)44CSTR設(shè)計方程設(shè)計方程物料衡算方程物料衡算方程能量衡算方程能量衡算方程 00nARAAvCTkVCCq 00TTUACTkVHTTcqcRnARPv45 0011expTTREnTTk動力學因子：4647Design Specification 設(shè)計規(guī)定

16、設(shè)計規(guī)定（2）48Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（3）49Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（4）50Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（5）5152Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（7）53Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（8）54Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（9）55Design Specification 設(shè)計規(guī)定設(shè)計規(guī)定（10）56RPlug 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器在在PFR反應(yīng)器中如活塞流動的流體的組成沿反應(yīng)反應(yīng)器中如活塞流動

17、的流體的組成沿反應(yīng)器長度逐漸變化，但不存在徑向組成或濃度梯度。器長度逐漸變化，但不存在徑向組成或濃度梯度。而且，徑向的質(zhì)量和熱量傳遞可忽略而且，徑向的質(zhì)量和熱量傳遞可忽略PFR內(nèi)的流體完全不混合，所有流體微元在反應(yīng)內(nèi)的流體完全不混合，所有流體微元在反應(yīng)器中具有相同的停留時間器中具有相同的停留時間 57RPlug 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：反應(yīng)器內(nèi)完全沒有返混。可模擬換熱反應(yīng)器內(nèi)完全沒有返混。可模擬換熱夾套。夾套。用途：用途：已知化學反應(yīng)式和動力學方程，計算已知化學反應(yīng)式和動力學方程，計算所能達到的轉(zhuǎn)化率，或所需的反應(yīng)器體積，所能達到的轉(zhuǎn)化率，或所需的反應(yīng)器體積，以及反應(yīng)器熱負荷。以及

18、反應(yīng)器熱負荷。58模塊有四組模型參數(shù)：模塊有四組模型參數(shù)：59RPlug 模型設(shè)定模型設(shè)定1、指定溫度的反應(yīng)器、指定溫度的反應(yīng)器 (Reactor with specified temperature)，有三種方式設(shè)定操作溫度：有三種方式設(shè)定操作溫度：1) 進料溫度下的恒溫進料溫度下的恒溫 (Constant at inlet temperature)2) 指定反應(yīng)器溫度指定反應(yīng)器溫度 (Constant at specified reactor temperature)3) 溫度剖形溫度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反應(yīng)器長度的溫，指定沿反應(yīng)器長度的溫度分布度分布6

19、02、絕熱反應(yīng)器、絕熱反應(yīng)器 只需在反應(yīng)器類型下拉框中選擇只需在反應(yīng)器類型下拉框中選擇Adiabatic Reactor即可。即可。61623、恒定冷卻劑溫度的反應(yīng)器、恒定冷卻劑溫度的反應(yīng)器 在反應(yīng)器類型下拉框中選擇在反應(yīng)器類型下拉框中選擇(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作條件欄中；在操作條件欄中設(shè)定傳熱系數(shù)設(shè)定傳熱系數(shù)(U coolant-process stream)和冷卻劑和冷卻劑溫度溫度(Coolant temperature)。 (Reactor with co-current coolant) (Reactor with

20、 counter-current coolant)636465RPlug 計算計算 例例5反應(yīng)器長反應(yīng)器長5米、內(nèi)徑米、內(nèi)徑0.5米，壓降可忽略。加料為丁二米，壓降可忽略。加料為丁二烯和乙烯的等摩爾常壓混合物，溫度為烯和乙烯的等摩爾常壓混合物，溫度為440 C。如果。如果反應(yīng)在絕熱條件下進行，試求環(huán)己烯的產(chǎn)量。反應(yīng)在絕熱條件下進行，試求環(huán)己烯的產(chǎn)量。(C)(B)(A)HCHCHC1064264smkmolCkCrBAA3/skmolmRTkmolJk/1015. 1exp1016. 338766性質(zhì)：性質(zhì)：間歇或半間歇操作的攪拌釜，釜內(nèi)達到理想混合。自動根據(jù)加料和輔助時間提供緩沖罐，實現(xiàn)與連續(xù)

21、過程的連接。用途：用途：已知化學反應(yīng)式、動力學方程和平衡關(guān)系，計算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時間，以及反應(yīng)器熱負荷。6768RBatch 模塊有六組模型參數(shù)：模塊有六組模型參數(shù)：1、模型設(shè)定、模型設(shè)定 (Specifications)2、化學反應(yīng)、化學反應(yīng) (Reactions)3、停止判據(jù)、停止判據(jù) (Stop Criteria)4、操作時間、操作時間 (Operation Time)5、連續(xù)加料、連續(xù)加料 (Continuous Feeds)6、控制器、控制器 (Controllers)69：反應(yīng)器操作設(shè)定反應(yīng)器操作設(shè)定 (Reactor Operating Specification) 有六個選項供選擇：有六個選項供選擇：1、恒溫、恒溫 (Constant Temperature