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1.生产能力类反应器（生产能力类反应器（2种）种）2.热力学平衡类反应器（热力学平衡类反应器（2种）种）3.化学动力学类反应器（化学动力学类反应器（3种）种）分为三大类七种反应器：分为三大类七种反应器：生产能力类反应器1、化学计量反应器化学计量反应器（RStoic）Stoichiometric Reactor2、产率反应器产率反应器（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

2、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甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为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原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 1 4 4，流量为流量为流量为流量为100 kmol/hr100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总若反应在恒压及等温条件下进行，系

3、统总若反应在恒压及等温条件下进行，系统总若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为压为压为压为0.1013 MPa0.1013 MPa，温度为，温度为，温度为，温度为750 750，当反应器出，当反应器出，当反应器出，当反应器出口处口处口处口处CHCH4 4转化率为转化率为转化率为转化率为73%73%时，时，时，时，COCO2 2和和和和HH2 2的产量是的产量是的产量是的产量是多少？反应热负荷是多少？多少？反应热负荷是多少？多少？反应热负荷是多少？多少？反应热负荷是多少？RStoic 示例（2）反应和原料同示例反应和原料同示例（1 1），），若若反应在恒压及绝热条件下进行，反应在恒压及绝热条件

4、下进行，系统总压为系统总压为0.1013 MPa，反应器进反应器进口温度为口温度为950，当反应器出口处当反应器出口处CH4转化率为转化率为73%时，反应器出口时，反应器出口温度是多少？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甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为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原料气中甲烷与水蒸

5、汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 1 4 4，流量为，流量为，流量为，流量为100 kmol/hr100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统。反应在恒压及等温条件下进行，系统。反应在恒压及等温条件下进行，系统。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为总压为总压为总压为0.1013 MPa0.1013 MPa，温度为，温度为，温度为，温度为750 750，如果反应器出口，如果反应器出口，如果反应器出口，如果反应器出口物流中摩尔比率物流中摩尔比率物流中摩尔比率物流中摩尔比率CHCH4 4 H H2 2O:COO:CO2 2:H:H2 2等于等于

6、等于等于1:2:3:41:2:3:4时，时，时，时，COCO2 2和和和和HH2 2的产量是多少？需要移走的反应热负荷的产量是多少？需要移走的反应热负荷的产量是多少？需要移走的反应热负荷的产量是多少？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？是否满足元素是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？平衡？平衡？平衡？RYield 示例（2）若在示例若在示例（1）的原料气中的原料气中加入加入 25 kmol/hr 氮气，其余条氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么件不变，计算结果会发生什

7、么变化？变化？RYield 示例（3）以示例以示例（2）的结果为基础，的结果为基础，在在Ryied模块的产率设置项中模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，重新将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？计算，结果如何？热力学平衡类反应器1、平衡反应器平衡反应器（REquil）Equilibrium Reactor2、吉布斯反应器吉布斯反应器（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，

8、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。REquil 连接REquil 示例（1）甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为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原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 1 4 4，流量为流量为流量为流量为100 kmol/hr100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为下进行，系统总压为下进行，系统总压为下

9、进行，系统总压为0.1013 MPa0.1013 MPa，温度为，温度为，温度为，温度为750 750，当反应器出口处达到平衡时，当反应器出口处达到平衡时，CO2和和H2的的产量是多少？反应热负荷是多少？产量是多少？反应热负荷是多少？REquil 示例（2）分析示例分析示例（1）中反应温度中反应温度在在3001000 范围变化时对反范围变化时对反应器出口物流应器出口物流CH4质量分率的质量分率的影响。影响。REquil 示例（3）将示例将示例(1)中的反应温度设为中的反应温度设为1000，分别分析反应，分别分析反应(1)和反和反应应(2)的趋近平衡温度在的趋近平衡温度在 200 0 范围变化时

10、对反应器出口物范围变化时对反应器出口物流流CH4质量分率和质量分率和CO/CO2摩尔比摩尔比的影响。的影响。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：甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：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原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔

11、比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 1 4 4，流量为流量为流量为流量为100 kmol/hr100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为下进行，系统总压为下进行，系统总压为下进行，系统总压为0.1013 MPa0.1013 MPa，温度为，温度为，温度为，温度为750750 ，当反应器出口处达到平衡时，当反应器出口处达到平衡时，CO2和和H2的的产量是多少？反应热负荷是多少？与产量是多少？反应热负荷是多少？与REquil的的结果进行比较。结果进行比较。RGibbs 示例（2）若在示例若在示例(1)中

12、的原料气中加中的原料气中加入入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中应器出口物流中CH4和和NH3的质的质量分率。如果将氮设为惰性组份，量分率。如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？结果有什么变化？化学动力学类反应器1、全混釜反应器（全混釜反应器（RCSTR）Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反应器（平推流反应器（RPlug）Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器（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

13、。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 RCSTR 模型参数模型参数RCSTRRCSTR模块有两组模型参数：模块有两组模型参数：模块有两组模型参数：模块有两组模型参数：1 1、操作条件操作条件操作条件操作条件 (Operation Conditions)(Operation Conditions)1)1)压力压力压力压力 (Pressure)(Pressure)2)2)温度温度温度温度/

14、热负荷热负荷热负荷热负荷(Temperature/Heat(Temperature/Heat Duty)Duty)RCSTR RCSTR 模型参数模型参数RCSTRRCSTR模块有两组模型参数：模块有两组模型参数：模块有两组模型参数：模块有两组模型参数：2 2、持料状态持料状态持料状态持料状态 (Holdup)(Holdup)1)1)有效相态有效相态有效相态有效相态 (Valid Phases)(Valid Phases)2)2)设定方式设定方式设定方式设定方式 (Specification Type)(Specification Type)RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定

15、方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：个可选项：个可选项：个可选项：1 1、反应器体积反应器体积反应器体积反应器体积 (Reactor Volume)(Reactor Volume)只需输入反应器的体积。只需输入反应器的体积。只需输入反应器的体积。只需输入反应器的体积。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：个可选项：个可选项：个可选项：2 2、停留时间停留时间停留时间停留时间 (Residence Time)(Residence Time)只需输入物料在反应器中的平均停只需输入物料在反应器中的平均停只需输入物料在反应器中的

16、平均停只需输入物料在反应器中的平均停留时间。留时间。留时间。留时间。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：个可选项：个可选项：个可选项：3、反应器体积和相体积、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必须输入反应器体积和气相/凝聚相凝聚相所占的体积。所占的体积。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：个可选项：个可选项：个可选项：4、反应器体积和相体积分率、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume&

17、Phase Volume Fraction)必须输入反应器体积和气相必须输入反应器体积和气相/凝聚相所凝聚相所占的体积分率。占的体积分率。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：个可选项：个可选项：个可选项：5、反应器体积和相停留时间、反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume&Phase Residence Time)必须输入反应器体积和气相必须输入反应器体积和气相/凝聚相凝聚相在反应器中的停留时间。在反应器中的停留时间。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：

18、个可选项：个可选项：个可选项：6、停留时间和相体积分率、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必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相留时间和气相/凝聚相所占的体积分率。凝聚相所占的体积分率。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式设定方式有有有有 7 7 个可选项：个可选项：个可选项：个可选项：7、相停留时间和体积分率、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time&Volume Fraction)必须输入气相必须输入气相/凝聚相在反应器中的停凝聚相在反应

19、器中的停留时间和所占的体积分率。留时间和所占的体积分率。RCSTR RCSTR 选择反应选择反应RCSTRRCSTR中的化学反应通中的化学反应通过选用预定义的化学反应对过选用预定义的化学反应对象来设定象来设定。Reactions 化学反应对象用用途途：为为三三类类动动力力学学反反应应器器模模块块和和RadFrac 模模块块提提供供反反应应的的计计量量关关系系、平平衡衡关关系和动力学关系。系和动力学关系。Reactions 对象类型创创建建化化学学反反应应对对象象时时，需需赋赋予予对对象象ID和和选选择择对对象象类类型型。我我们们可可用用的的类类型型有有三种：三种：1、LHHW 型型 (Lang

20、muir-Hinshelwood-Hougen-Watson)2、幂律型、幂律型(Power Law)3、反应精馏型、反应精馏型(Reac-Dist)Reactions 反应设定每每一一个个化化学学反反应应对对象象可可以以包包含含多多个个化化学学反反应应，每每个个反反应应都都要要设设定定计计量量学学参参数和动力学参数数和动力学参数/平衡参数。平衡参数。1、计量学参数、计量学参数(Stoichiometry)2、动力学参数、动力学参数(Kinetic)3、平衡参数、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：甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：

21、甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：反反应应器器容容积积为为5m3，装装填填系系数数为为0.6，输输入入氮氮气气作作为为保保护护气气体体。为为了了保保证证釜釜内内的的惰惰性性环环境境，输输入入氮氮气气量量应应该该使使出出釜釜物物料料的的气气相相分分率率保保持持在在0.001左左右右。加加料料氨氨水水的的浓浓度度为为4.1kmol/m3，流流量量为为32.5 m3/hr。加加料料甲甲醛醛水水溶溶液液的的浓浓度度为为6.3 kmol/m3，流流量量为为32.5m3/hr。求求35 C下下乌乌洛洛托托品品的的产产量量和和输输入入氮氮气气流流量量，并并分分析析反

22、反应应温温度度在在2060 C范围里对甲醛转化率的影响。范围里对甲醛转化率的影响。反应速率方程式如右：反应速率方程式如右：反应速率方程式如右：反应速率方程式如右：式中：式中：式中：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：丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：丁二

23、烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：反反应应器器长长5米米、内内径径0.5米米，压压降降可可忽忽略略。加加料料为为丁丁二二烯烯和和乙乙烯烯的的等等摩摩尔尔常常压压混混合合物物，温温度度为为440 C。如如果果反反应应在在绝绝热热条条件件下下进进行行，要要求求丁丁二二烯烯的的转转化化率达到率达到12%，试求环己烯的产量，试求环己烯的产量 。反应速率方程式如右：反应速率方程式如右：反应速率方程式如右：反应速率方程式如右：式中：式中：式中：式中：RPlug 示例（2）作出示例作出示例(1)中中温度和环己烯温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图摩尔分率沿反应器长度的分布图。分析反应器分析反应器压

24、力压力在在0.11.0 MPa 范围内范围内对环己烯产量的影响。对环己烯产量的影响。RBatch 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：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：在在间间歇歇搅搅拌拌釜釜中中等等温温反反应应，T=100 C，P=3ba

25、r，操操作作周周期期2.5hr。加加料料为为水水溶溶液液，T=40 C，处处理理量量1m3/hr，含含乙乙乙乙醇醇醇醇10.2 10.2 kmol/mkmol/m3 3、乙乙乙乙酸酸酸酸3.908 3.908 kmol/mkmol/m3 3。求求乙乙乙乙酸酸酸酸转转化化率率为为35%的的反反应应时间，时间，乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酯的产量，装填率的产量，装填率=0.7时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积。反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：式中：式中：式中：式中：RBatch 示例（2）考考虑虑到到釜釜液液升升/降降温温的的影影响响，操操作作周

26、周期期延延长长到到3hr，并并按以下升按以下升/降温程序操作：降温程序操作：t=0,T=40 C;t=15min,T=80 C;t=30min,T=100 C;t=110min,T=100 C;t=140min,T=40 C。求求乙乙乙乙酸酸酸酸转转化化率率为为35%的的反反应应时时间间，乙乙乙乙酸酸酸酸乙乙乙乙酯酯酯酯的的产产量量，装填率装填率=0.7时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积。如果示例如果示例如果示例如果示例(1)(1)反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：RBatch 示例（3）如果将示例如果将示例(2)的操作时间设置改为间的操作时间设置改为间歇加料时间歇加料时间2hr，停止时间，停止时间1hr，求求乙酸乙酸转转化率为化率为35%的反应时间，的反应时间，乙酸乙酯乙酸乙酯的产量的产量，装填率装填率=0.7时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积。RBatch 示例（4）如果将示例如果将示例(3)的反应釜用的反应釜用100的饱和蒸的饱和蒸汽加热，反应釜传热面积汽加热，反应釜传热面积 6 m2，传热系数，传热系数500 W/m2K，求求乙酸乙酸转化率为转化率为35%的反应的反应时间，时间，釜液温度随时间变化的剖型釜液温度随时间变化的剖型。