《反应器模拟》PPT课件.ppt

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1、第六章 反应器单元模拟反应器模块的类别反应器模块的类别1.生产能力类反应器（2种）2.热力学平衡类反应器（2种）3.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率或产量，不

2、知化学动力学关系。RStoic化学计量反应器化学计量反应器RStoic 连接连接RStoic RStoic 模型参数模型参数模型参数模型参数RStoicRStoic 模块有七组模型参数：模块有七组模型参数：1、模型设定 (Specifications)2、化学反应 (Reactions)3、燃烧 (Combustion)4、反应热 (Heat of Reaction)5、选择性 (Selectivity)6、粒度分布 (PSD)7、组分属性 (Component Attr.)RStoic RStoic 模型设定模型设定模型设定模型设定设定操作条件和有效相态设定操作条件和有效相态：1 1、操作条

3、件、操作条件 (Operation Conditions)(Operation Conditions)(1)(1)压力压力 (Pressure)(Pressure)(2)(2)温度温度/热负荷热负荷 (Temperature/Heat duty)(Temperature/Heat duty)2 2、有效相态、有效相态 (Valid Phases)(Valid Phases)汽汽 /液液 /固固 /汽汽-液液 /汽汽-液液-液液 /液液-游离水游离水 /汽汽-液液-游离水游离水RStoic RStoic 模型设定模型设定模型设定模型设定RStoic RStoic 化学反应化学反应化学反应化学反应

4、定定义义RStoicRStoic中中进进行行的的每每一一个个化化学学反反应应的的编编号号、化化学学计计量量关关系系、产产物物生生成成速速率率或或反反应应物物转转化化率率。并并指指明明计计算算多多个个反反应应的的转转化率时是否按照串联反应方式计算。化率时是否按照串联反应方式计算。RStoic RStoic 化学反应化学反应化学反应化学反应RStoic RStoic 反应热反应热反应热反应热 设定反应热的计算类型设定反应热的计算类型(Calculation type)(Calculation type)和和参照条件参照条件(Reference condition)(Reference condit

5、ion)：1 1、不计算反应热、不计算反应热 (Do not calculate heat of reaction)(Do not calculate heat of reaction)2 2、计算反应热、计算反应热 (Calculate heat of reaction)(Calculate heat of reaction)3 3、用户指定反应热、用户指定反应热 (Specify heat of reaction)(Specify heat of reaction)RStoic RStoic 反应热反应热反应热反应热RStoic RStoic 选择性选择性选择性选择性计算对于选定组分的选择

6、性，其定义为：计算对于选定组分的选择性，其定义为：P P代表选定组分代表选定组分 (selected)(selected)P P的的生成生成摩尔数；摩尔数；A A代表参照组分代表参照组分 (reference)(reference)A A的消耗摩尔数；的消耗摩尔数；r re eal al 代表反应器内的实际情况；代表反应器内的实际情况；ideal ideal 代表只有代表只有 AP AP 一个反应发生时的情况。一个反应发生时的情况。RStoic RStoic 选择性选择性选择性选择性RYield产率反应器产率反应器性质：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

7、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 连接连接RYield RYield 模型参数模型参数模型参数模型参数RYieldRYield 模块有六组模型参数：模块有六组模型参数：1、模型设定 (Specifications)2、产率 (Yield)3、闪蒸选项 (Flash Options)4、粒度分布 (PSD)5、组分属性 (Comp.Attr.)6、组分映射 (Comp.Mapping)RYield RYield 模型设定模型设定模型设定模型设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：1 1、操作条件、操作条件 (O

8、peration Conditions)(Operation Conditions)(1)(1)压强；压强；(2)(2)温度温度/热负荷热负荷/温度改变温度改变 2 2、有效相态、有效相态 (Valid Phases)(Valid Phases)汽汽 /液液 /固固 /汽汽-液液 /汽汽-液液-液液 /液液-游离水游离水 /汽汽-液液-游离水游离水RYield RYield 模型设定模型设定模型设定模型设定RYield RYield 产率产率产率产率产率设置有四个选项产率设置有四个选项：1 1、组分产率、组分产率 (Component yields)(Component yields)2 2、

9、组分映射、组分映射 (Component mapping)(Component mapping)3 3、石油馏分表征、石油馏分表征 (Petro characterization)(Petro characterization)4 4、用户子程序、用户子程序 (User subroutine)(User subroutine)RYield RYield 组分组分组分组分产率产率产率产率 选择组分产率选项时，需指选择组分产率选项时，需指定相对于每定相对于每一单位质量非惰性进料而言，各种组分在一单位质量非惰性进料而言，各种组分在出出口物流口物流中的相对产率。中的相对产率。还可以设定进料中的某些组分

10、为不转化还可以设定进料中的某些组分为不转化为产物的惰性组分为产物的惰性组分(Inert Components)(Inert Components)。RYield RYield 组分组分组分组分产率产率产率产率RYield RYield 组分组分组分组分映射映射映射映射 选选择择组组分分映映射射选选项项时时，需需在在Comp.Comp.MappingMapping表表单单中中设设置置各各种种结结合合(Lump)(Lump)反反应应和和分分解解 (De-lump)(De-lump)反反应应所所涉涉及及的的组组分分之间的定量关系之间的定量关系。RYield RYield 组分组分组分组分映射映射映射

11、映射RYield 示例示例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：原原 料料 气气 中中 甲甲 烷烷 与与 水水 蒸蒸 汽汽 的的 摩摩 尔尔 比比 为为 1 1 4 4，流流 量量 为为 100 100 kmol/hrkmol/hr。反反应应在在恒恒压压及及等等温温条条件件下下进进行行，系系统统总总压压为为 0.1013 0.1013 MPaMPa，温温度度为为 750 750，如如果果反反应应器器出出口口物物流流中中摩摩尔尔比比率率 CHCH4 4 H H2 2O O:COCO2 2 :H H2 2 等等于于 1 1:2 2:3 3:4 4 时时，(1)

12、(1)COCO2 2和和H H2 2的的产产量量是是多多少少？需需要要移移走走的的反反应应热热负负荷荷是是多多少少？此此结结果果是是否否满满足足总总质质量量平平衡衡？是是否否满满足足元元素素平平衡衡？(2)(2)若若在在原原料料气气中中加加入入 25kmol/hr 25kmol/hr 氮氮气气，其其余余条条件件不不变变，计计算算结结果果会会发发生生什什么么变变化化？(3)(3)在在 Ryied Ryied 模模块块的的产产率率设设置置项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？运行运行1.提示在产率规定中引入了一个引子来保证总物料平衡2.提示元素

13、原子不守恒，ryield只考虑总质量平衡，不考虑原子守恒，故忽略热力学平衡类反应器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体系发生化学反应的结果，不考虑动力学可行性。该类别包含两种反应器。REquil平衡反应器平衡反应器性质：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。REquil 连接连接REquil REquil 模型参数模型参数模型

14、参数模型参数REquil REquil 模块有四组模型参数：模块有四组模型参数：1、模型设定 (Specifications)2、化学反应 (Reactions)3、收敛 (Convergence)4、液沫夹带 (Entrainment)REquil REquil 模型设定模型设定模型设定模型设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：1 1、操作条件、操作条件 (Operation Conditions)(Operation Conditions)(1)(1)压力；压力；(2)(2)温度温度/蒸汽分率蒸汽分率/热负荷热负荷 2 2、有效相态、有效相态 (

15、Valid Phases)(Valid Phases)汽汽 /液液 /固固 /汽汽-液液 /汽汽-液液-液液 /液液-游离水游离水 /汽汽-液液-游离水游离水REquil REquil 化学反应化学反应化学反应化学反应定定义义REquilREquil中中进进行行的的每每一一个个化化学学反反应应的的编编号号、化化学学计计量量关关系系、产产物物生生成成比比速速率率(Extend)(Extend)或或趋趋近近平衡温度平衡温度(Temperature Approach)(Temperature Approach)。比速率比速率=速率速率/化学计量系数化学计量系数趋趋近近平平衡衡温温度度=TT意意指指在

16、在T+T+TT下下计计算算化化学学反应平衡反应平衡REquil REquil 化学反应化学反应化学反应化学反应RGibbs吉布斯反应器吉布斯反应器性质：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 连接连接RGibbs RGibbs 模型参数模型参数模型参数模型参数RGibbs RGibbs 模块有五组模型参数：模块有五组模型参数：1、模型设定(Specifications)2、产物(Products)3、指定物流(Assign Steams)4

17、、惰性物(Inerts)5、限制平衡(Restricted Equilibrium)RGibbs RGibbs 模型设定模型设定模型设定模型设定模型设定包含操作条件、计算选项和相态设定模型设定包含操作条件、计算选项和相态设定：1 1、操作条件、操作条件 (Operation Conditions)(Operation Conditions)(1)(1)压力；压力；(2)(2)温度温度/热负荷热负荷 2 2、计算选项、计算选项 (Calculation Options)(Calculation Options)仅计算相平衡仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡同时计算化学平衡和相平衡/是否限制化

18、学平衡是否限制化学平衡3 3、相态、相态 (Phases)(Phases)输入存在的相态数。输入存在的相态数。RGibbs RGibbs 产物产物产物产物有三种选择：有三种选择：1 1、系统中的所有组分都可以是产物；系统中的所有组分都可以是产物；RGibbs considers all components as RGibbs considers all components as productsproducts2 2、指定可能的产物组分；、指定可能的产物组分；Identify possible productsIdentify possible products3 3、定义产物存在的相态。

19、、定义产物存在的相态。Define phases in which products appear Define phases in which products appear RGibbs RGibbs 产物产物产物产物 1 1、系统中的所有组分都可以是产物；系统中的所有组分都可以是产物；2 2、指定可能的产物组分、指定可能的产物组分3 3、定义产物存在的相态、定义产物存在的相态RGibbs RGibbs 指定物流指定物流指定物流指定物流有两种选择：有两种选择：1 1、自动指定出口物流相态、自动指定出口物流相态；RGibbs assigns phases to outlet streams

20、RGibbs assigns phases to outlet streams 2 2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；Use Use key key components components&cutoff cutoff mole mole fraction fraction to assigns phases to outlet streams to assigns phases to outlet streams 2 2、使用关键组分和截尾摩尔分率、使用关键组分和截尾摩尔分率RGibbs RGibbs 惰性物惰性物惰性物惰性物指指

21、定定不不参参加加化化学学反反应应平平衡衡的的惰惰性性组组分分(Inerts)(Inerts)及及 其其 不不 参参 加加 反反 应应 的的 摩摩 尔尔 流流 量量(Mole flow)(Mole flow)或分率或分率(Fraction)(Fraction)。RGibbs RGibbs 惰性物惰性物惰性物惰性物 RGibbs RGibbs 限制平衡限制平衡限制平衡限制平衡有两种选择：有两种选择：1 1、设定整个系统的趋近平衡温度设定整个系统的趋近平衡温度 Entire system with temperature approachEntire system with temperature

22、approach 2 2、指定各个化学反应趋近平衡的温度、指定各个化学反应趋近平衡的温度 Individual reactionIndividual reaction1 1、设定整个系统的趋近平衡温度；设定整个系统的趋近平衡温度；2 2、指定各个化学反应趋近平衡的温度、指定各个化学反应趋近平衡的温度RGibbs 示例示例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1 1 4 4，流量为，流量为100 100 kmol/hrkmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为。若反应在恒压及等温条件下

23、进行，系统总压为0.1013 MPa0.1013 MPa，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，(1)(1)COCO2 2和和H H2 2的产量是多少？反应热负荷是多少？的产量是多少？反应热负荷是多少？(2)(2)若在原料若在原料气中加入气中加入25kmol/hr 25kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中反应，求反应器出口物流中CHCH4 4和和NHNH3 3的质量分率。如果将氮的质量分率。如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？设为惰性组份，结果有什么变化？将Ryield模块换成R

24、gibbs模块，更换产物流股并命名在在Ryield-Ryield-示例的模示例的模拟结拟结果的基果的基础础上修改上修改更改化合物更改化合物更改更改进进料流股流量和料流股流量和组组成成输输入模入模块块信息信息查查看反看反应热负应热负荷荷（2 2）增加增加N N2 2 和和NHNH3 3原料中增加原料中增加25kmol/hr25kmol/hr的的N N2 2输入可能的入可能的产物，注意要加入物，注意要加入NHNH3 3N N2 2为惰性惰性组分，在可能分，在可能产物中将物中将NHNH3 3删去去作业作业-RStoic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1

25、00 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，(1)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？(2)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？并在原料气中加入15 kmol/hr的氧气。若上述两个反应中CH4转化率均为43%时，产品物流中CO、H2O、CO2 和H2的流量各是多少？如果将反应设为串联进行，上述流量又各是多少？以上两个反应的反应热各是多少？(3)增加甲烷部分氧化反应如下式：12月15日之前将结果（截图至word文档并带文字说明）发至