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1、CAPD基础 第十一讲第十一讲Simulation Design of Chemical Reactors 反应器单元的仿真设计 (二二)1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：2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
2、)Batch Stirred Tank Reactor根据化学动力学计算反应结果。包含三种反应器：3RCSTR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。4RCSTR 图标5RCSTR 连接6RCSTRRCSTR 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)(Operatio
3、n Conditions)1)1)压力压力压力压力 (Pressure)(Pressure)2)2)温度温度温度温度/热负荷热负荷热负荷热负荷(Temperature/Heat Duty)(Temperature/Heat Duty)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)7RCSTRRCSTR 模型参数模型参数 （2 2 2）8RCSTR R
4、CSTR 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：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。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。9RCSTR RCSTR
5、 设定方式设定方式（2 2 2）103、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、必须输入反应器体积、气相气相(Vapor phase)或或凝聚相凝聚相(Condensed phase)所占的体积。所占的体积。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式（3 3 3）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：11RCSTR RCSTR 设定方式设定方式（4 4 4）124、反应器体积和相体积分率、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume&Phase Volume
6、 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/凝聚相所占的凝聚相所占的体积分率。体积分率。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式（5 5 5）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：13RCSTR RCSTR 设定方式设定方式（6 6 6）145、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/凝聚相在反应凝聚相在反应器中的停留时间。器中的停留时间。RCSTR RCSTR 设定方式设定方式（7 7
7、 7）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：15RCSTR RCSTR 设定方式设定方式（8 8 8）166、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留时必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相间和气相/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（9 9 9）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：17RCSTRRCSTR 设定方式设定方
8、式（101010）187、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留凝聚相在反应器中的停留时间和所占的体积分率。时间和所占的体积分率。RCSTRRCSTR 设定方式设定方式（111111）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：19RCSTRRCSTR 设定方式设定方式（121212）20RCSTR RCSTR 设置出口物流设置出口物流RCSTRRCSTR如如果果连连接接了了二二股股或或三三股股出出口口物物流流，则则应应
9、在在StreamsStreams表表单单中中设设定定每每一一股股物流的出口相态物流的出口相态。21RCSTR RCSTR 设置出口物流设置出口物流 (2)(2)22RCSTR 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。23RCSTRRCSTR选择反应选择反应（2 2 2）24Reactions 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、平平衡衡关关系系和和动动力学关系。力学关系。25Reactions 对象
10、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。对对于于小小分分子子反反应，常用的类型有三种：应，常用的类型有三种：1、LHHW 型型 (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)(Langmuir-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)26Reactions 对象类型（2 2）27Reactions 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
11、定定计计量量学参数和动力学参数学参数和动力学参数/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)28Reactions 反应设定（2 2）29Reactions 计量学参数在在计计量量学学表表单单中中为为每每一一个个化化学学反反应应创创建建一一个个对对象象，并并选选择择对对象象类类型型为为动动力力学学(Kinetic)或或平平衡衡(Equilibrium)型型。输输入入反反应应方方程程式式中中的的化化学学计计量量系系数数(Coefficient)，对对于于幂幂律律型型反反应
12、应对对象象，还还要要输输入入动动力力学学方方程程式式中中每每一一个个浓浓度度因子的幂指数因子的幂指数(Exponent)。30Reactions 计量学参数（2）31Reactions 动力学参数在在动动力力学学表表单单中中为为每每一一个个化化学学反反应应输输入入发发生生反反应应的的相相态态、动动力力学学参参数数以以及及浓浓度度基准基准。幂律型：反应动力学因子幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)(Kinetic factor)即即反应速率常数反应速率常数 k，它与温度的关系用修正，它与温度的关系用修正的的ArrheniusArrhenius方程表示方程表示：32Reactio
13、ns动力学参数（2）33Reactions 动力学参数(3)浓度基准浓度基准(Ci basis)有以下几种有以下几种：摩尔浓度摩尔浓度(Molarity),kmol/m3 质量摩尔浓度质量摩尔浓度(Molality),mol/kg water 分压分压(Partial pressure),Pa 质量浓度质量浓度(Mass Concentration),kg/m3 摩尔分率摩尔分率(Mole fraction),质量分率质量分率(Mass fraction),34Reactions 动力学参数(4)LHHW型型的的反应速率方程：反应速率方程：动力学因子仍动力学因子仍用修正的用修正的Arrheni
14、usArrhenius方程表示方程表示：35Reactions 动力学参数(5)36Reactions动力学参数 (5)推动力表达式推动力表达式(Driving force expression)定义为定义为：点击右侧的点击右侧的Driving force按钮，即可弹按钮，即可弹出出推动力表达式输入界面。推动力表达式输入界面。37Reactions动力学参数 (7)推推动动力力表表达达式式包包括括两两项项：Term 1 和和 Term 2,分分别别代代表表正正反反应应和和逆逆反反应应的的推推动动力力，分分别别表表达达为为体体系系中中各各组组分分浓浓度度的的幂幂乘乘积。积。在在推推动动力力输输入
15、入界界面面中中，必必须须完完整整输输入入这这两两项项的的全全部部参参数数，包包括括推推动动力力常常数数表表达达式式的的系系数数(Coefficients for driving force constant)。38Reactions动力学参数 (6)39Reactions 动力学参数(8)点击右侧的点击右侧的点击右侧的点击右侧的AdsorptionAdsorption按钮，即可弹出按钮，即可弹出按钮，即可弹出按钮，即可弹出吸附吸附吸附吸附表达式输入界面。表达式输入界面。表达式输入界面。表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化吸附表达式代表反应物在催化吸附表达式代表反应物在催化吸附表达式代表反
16、应物在催化剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影响，用下述函数式描述响，用下述函数式描述响，用下述函数式描述响，用下述函数式描述：如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指数数数数 mm=0=0 即可。即可。即可。即可。40Reactions 动力学参数(9)41RCSTR 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甲醛
17、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：42RCSTR 示例 1(续)反反反反应应应应器器器器容容容容积积积积为为为为 5 5 mm3 3，装装装装填填填填系系系系数数数数为为为为 0.60.6，输输输输入入入入氮氮氮氮气气气气作作作作为为为为保保保保护护护护气气气气体体体体。为为为为了了了了保保保保证证证证釜釜釜釜内内内内的的的的惰惰惰惰性性性性环环环环境境境境，输输输输入入入入氮氮氮氮气气气气量量量量应应应应该该该该使使使使出出出出釜釜釜釜物物物物料料料料的
18、的的的气气气气相相相相分分分分率率率率保保保保持持持持在在在在 0.001 0.001 左左左左右右右右。加加加加料料料料氨氨氨氨水水水水的的的的浓浓浓浓度度度度为为为为 4.1 4.1 kmol/mkmol/m3 3，流流流流量量量量为为为为 32.5 32.5 mm3 3/hr/hr。加加加加料料料料甲甲甲甲醛醛醛醛水水水水溶溶溶溶液液液液的的的的浓浓浓浓度度度度为为为为 6.3 6.3 kmol/mkmol/m3 3，流流流流量量量量为为为为32.5 32.5 mm3 3/hr/hr。求求求求 35 35 C C 下下下下乌乌乌乌洛洛洛洛托托托托品品品品的的的的产产产产量量量量和和和和输
19、输输输入入入入氮氮氮氮气气气气流流流流量量量量 ，并并并并分分分分析析析析反反反反应应应应温温温温度在度在度在度在 2060 2060 C 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。范围里对甲醛转化率的影响。范围里对甲醛转化率的影响。43RPlug 平推流反应器性性质质：完全没有返混的管式反应器，可带有换热夹套。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制反应。用用途途：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。44RPlug 平推流反应器(2)(2)45RPlug 连接(1)46RPlug 连接(2)47RPlug RPlug 模型
20、参数模型参数RPlug RPlug 模块有四组模型参数模块有四组模型参数模块有四组模型参数模块有四组模型参数：1、模型设定模型设定 (Specifications)2、反应器构型反应器构型(Configuration)3、化学反应、化学反应 (Reactions)4、压力压力 (Pressure)48RPlug RPlug 模型设定模型设定设定反应器类型，共有五种类型：设定反应器类型，共有五种类型：设定反应器类型，共有五种类型：设定反应器类型，共有五种类型：1 1、指定温度的反应器、指定温度的反应器、指定温度的反应器、指定温度的反应器 (Reactor with specified(React
21、or with specified temperature)temperature)，有三种方式设定操作温度：，有三种方式设定操作温度：，有三种方式设定操作温度：，有三种方式设定操作温度：1)1)进料温度下的恒温进料温度下的恒温进料温度下的恒温进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature)(Constant at inlet temperature)2)2)指定反应器温度指定反应器温度指定反应器温度指定反应器温度 (Constant at specified reactor Constant at specified reactor temperaturete
22、mperature)3)3)温度剖形温度剖形温度剖形温度剖形 (Temperature Profile)(Temperature Profile)，指定沿反应器长，指定沿反应器长，指定沿反应器长，指定沿反应器长度的温度分布度的温度分布度的温度分布度的温度分布49RPlug RPlug 模型设定模型设定 (2)(2)(2)502 2、绝热反应器、绝热反应器、绝热反应器、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择只需在反应器类型下拉框中选择只需在反应器类型下拉框中选择只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Adiabatic ReactorReactor即可。即可。即可。即可。3 3、恒定冷
23、却剂温度的反应器、恒定冷却剂温度的反应器、恒定冷却剂温度的反应器、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择在反应器类型下拉框中选择在反应器类型下拉框中选择在反应器类型下拉框中选择(Reactor with(Reactor with constant coolant temperature)constant coolant temperature)；在操作条件在操作条件在操作条件在操作条件栏中设定传热系数栏中设定传热系数栏中设定传热系数栏中设定传热系数(U coolant-process stream)(U coolant-process stream)和冷却剂温度和冷却剂温度和冷却剂温
24、度和冷却剂温度(Coolant temperature)(Coolant temperature)。RPlug RPlug 模型设定模型设定 (3)(3)(3)51RPlug RPlug 模型设定模型设定 (4)(4)(4)524 4 4、与冷却剂并流换热的反应器、与冷却剂并流换热的反应器、与冷却剂并流换热的反应器、与冷却剂并流换热的反应器、与冷却剂并流换热的反应器、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant)Reactor with co-current coolant)5 5 5、与冷却剂逆流换热的反应器、与冷却剂逆流换热的反应器、与冷却剂逆
25、流换热的反应器、与冷却剂逆流换热的反应器、与冷却剂逆流换热的反应器、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant)Reactor with counter-current coolant)采采采采采采用用用用用用这这这这这这两两两两两两种种种种种种类类类类类类型型型型型型需需需需需需在在在在在在流流流流流流程程程程程程图图图图图图中中中中中中连连连连连连接接接接接接冷冷冷冷冷冷却却却却却却剂剂剂剂剂剂物物物物物物流流流流流流（连连连连连连接接接接接接图图图图图图 2 2 2），并并并并并并在在在在在在反反反反反反应应应应应应器器器器器器类
26、类类类类类型型型型型型下下下下下下拉拉拉拉拉拉框框框框框框中中中中中中选选选选选选择择择择择择相相相相相相应应应应应应的的的的的的类类类类类类型型型型型型，在在在在在在操操操操操操作作作作作作条条条条条条件件件件件件栏栏栏栏栏栏中中中中中中输输输输输输入入入入入入传传传传传传热热热热热热系系系系系系数数数数数数 U U U 和和和和和和冷冷冷冷冷冷却却却却却却剂剂剂剂剂剂出出出出出出口口口口口口温温温温温温度度度度度度(Coolant(Coolant(Coolant outlet outlet outlet temperature)temperature)temperature)或或或或或或蒸
27、汽分率蒸汽分率蒸汽分率蒸汽分率蒸汽分率蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)(Coolant outlet vapor fraction)(Coolant outlet vapor fraction)。RPlug RPlug 模型设定模型设定 (5)(5)(5)53RPlug RPlug 模型设定模型设定 (6)(6)(6)54RPlug RPlug 反应器反应器构型构型反应器构型表单中需要输入的项目有：反应器构型表单中需要输入的项目有：反应器构型表单中需要输入的项目有：反应器构型表单中需要输入的项目有：单管或多管反应器单管或多管反应器单管或多管反应器单管或多管
28、反应器(Multitube reactor)(Multitube reactor)反应管的根数反应管的根数反应管的根数反应管的根数(Number of tubes)(Number of tubes)反应管的长度反应管的长度反应管的长度反应管的长度(Length)(Length)和直径和直径和直径和直径(Diameter)(Diameter)反应物料反应物料反应物料反应物料(Process stream)(Process stream)有效相态有效相态有效相态有效相态 冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂(Coolant stream)(Coolant stream)有效相态有效相态有效相态有效相态55RP
29、lug RPlug 反应器反应器构型构型 (2)(2)(2)56RPlug RPlug 压强压强压强表单中需要输入的项目有：压强表单中需要输入的项目有：压强表单中需要输入的项目有：压强表单中需要输入的项目有：1 1 1、反应器进口压强、反应器进口压强、反应器进口压强、反应器进口压强、反应器进口压强、反应器进口压强(Pressure at reactor inlet)(Pressure at reactor inlet)(Pressure at reactor inlet)反应物料反应物料反应物料反应物料反应物料反应物料(Process stream)(Process stream)(Proce
30、ss stream)压强压强压强压强压强压强 冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂(Coolant stream)(Coolant stream)(Coolant stream)压强压强压强压强压强压强2 2 2、反应器压降、反应器压降、反应器压降、反应器压降、反应器压降、反应器压降(Pressure drop through reactor)(Pressure drop through reactor)(Pressure drop through reactor)反应物料反应物料反应物料反应物料反应物料反应物料(Process stream)(Process stream)(Process
31、stream)压降压降压降压降压降压降 冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂冷却剂(Coolant stream)(Coolant stream)(Coolant stream)压降压降压降压降压降压降57RPlug RPlug 压强压强 (2)(2)(2)58RPlug 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：丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：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：反应速率方程式如下：式中：式中：式中：式中：59RPlug 示例 1(续)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率达达到到12%，试试求求环环己己烯烯的的产量产量 。60RPlug 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摩尔分率沿反应器长度的分布图图。分析反应器分析反应器压力压力在在 0.11.0 MPa 范围内范围内对环己烯产量的影对环己烯产量的影响。响。61