05 反应器模型
实验05 脉冲示踪法测定基本反应器的停留时间分布
σ
2 θ
=
σ
2 t
2
(8)
t
对于两种理想流动，其用无量纲时间标度表示的方差分别为 0 和 1，其它实际流动 反应器的方差皆界于 0 与 1 之间，即：
当σ
2 θ
=0
时，为理想置换流动模型；当σ
2 θ
=1
时，为全混流模型；当
0＜σ
2 θ
＜1
时，
为非理想流动，因此，根据σ
2 θ
值的大小，可以直观地反映反应器中物料的返混程度，σ
形上可清楚地反映出来)，即可关机、关水停止实验； 6．小心将电极从电导池中取出，洗净拭干，妥善收存，同时将搅拌釜内剩余的水虹
吸出来，量取体积，然后将搅拌釜清洗干净，整理仪器，清洁桌面。
六、实验数据处理
1．将各个时刻所记录的电导值，根据不同温度下的κ-c关系，计算出相应的温度下 的c(t)值，并根据公式E(t)=qVc(t)／M0计算出与各个时刻对应的E(t)值；
五、实验操作步骤
(一) 管式反应器 1．整理管式反应器的管路，确保畅通无泄漏； 2．在管式反应器出口支管中小心插入电导率仪光亮铂电极，并将电导率仪与长图平 衡记录仪连接妥当； 3．缓慢打开自来水龙头，向高位槽中注水，待溢流管中有水流出后，打开水槽出口 活塞，调节转子流量计到适宜刻度，使管式反应中充满水流，且电极也应全部侵入水中， 流量稳定； 4．接通长图平衡记录仪电源，并控制其走纸速度为 60×10 mm·h-1； 5．启动已调节好的电导率仪，然后，用注射器瞬时在管式反应器入口橡胶管中快速 注入 1ml 着红色的 KCl 溶液，观察长图平衡记录仪上记录笔绘制的曲线，直至示踪剂全 部流出为止； 6．分别将水量调节为 100 l·h-1，80 l·h-1和 60 l·h-1作三次实验以观察记录电导率 变化与时间的关系； 7．本实验结束后，关闭电导率仪及记录仪电源，关闭水糟出口流活塞，继续进行下 一个实验。
史上最全的反应器结构及工作原理图解！
史上最全的反应器结构及工作原理图解！这里给大家介绍一下常用的反应器设备，主要有以下类型：①管式反应器。
由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。
②釜式反应器。
由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。
用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。
③有固体颗粒床层的反应器。
气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。
④塔式反应器。
用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。
一、管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。
这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。
反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。
通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。
分类：1、水平管式反应器由无缝钢管与U形管连接而成。
这种结构易于加工制造和检修。
高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa 压力。
如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。
2、立管式反应器立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。
3、盘管式反应器将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。
但检修和清刷管道比较困难。
4、U形管式反应器U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。
U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较慢的反应。
5、多管并联管式反应器多管并联结构的管式反应器一般用于气固相反应，例如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反应器中反应制氯乙烯，气相氮和氢混合物在多管并联装有固相铁催化剂的反应器中合成氨。
(14)化学反应器的动态模型
联立式(6.10)和(6.11)可得：
T0 ( S ) a23ci ( S ) (a12 S a13 )Ti ( S ) a24 (a12 S a13 )TC ( S ) a11a23 (a12 S a13 )(a12 S a22 ) a T ( S ) a11a24TC ( S ) (a12 S a22 )ci ( S ) c0 ( S ) 11 i a11a23 (a12 S a13 )(a12 S a22 ) 式(6.12) 式(6.13)
CSTR的热稳定性分析
一、CSTR的动态数学模型
Fi ρ ci Ti
V
ρ
c0
T0
F0 ρ c0 T0
TC
CSTR的动态数学模型
1、基本假设
①充分搅拌，反应物料完全混合，反应器内无浓度、 温度梯度； ②反应为一级不可逆反应； ③进料量等于出料量，反应器内蓄液量V保持不变； ④反应物比热CP及冷却管传热系数U不变； ⑤冷却管管壁热容及反应器热损失忽略不计。
CSTR的热稳定性分析
研究反应器热稳定性的基本思路： 反应器热稳定性问题属于动态问题，应建立在反 应器动态方程基础上；考虑到稳定性是研究反应 器状态偏离平衡状态的问题，可将非线性动态方 程在平衡点线性化，并利用劳斯判据判断其传递 函数特征方程的稳定性研究反应器的热稳定性。 下面以连续搅拌槽式反应器CSTR为例说明。
CSTR的热稳定性分析
1、对吸热反应，反应热ΔH>0 a11>0， a12>0， a13>0， a21>0， a22>0， a23>0 显然式(6.16)、(6.17)均成立； 同时，
c0 H i k U a13a22 k 1 1 C P T0 C P k k H i c0 H i k a11a23 c0 k T0 C P C P T0
反应器流动模型
反应器内浓度变化
搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为 理想混合流动。
非理想流动
理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工 业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。对于所有 偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因
➢ 间歇反应器中不存在返混 ➢ 理想置换反应器不存在返混 ➢ 理想混合反应器返混达到极限状态 ➢ 非理想流动反应器存在不同程度的返混
返混对反应过程的影响
➢ 返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消 失或减低。 ➢ 返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下 降，反应产物的浓度上升。但是，这种浓度分布的改变对反 应的利弊取决于反应过程的浓度效应。 ➢ 返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任何过程在连 续化时，必须充分考虑这个因素的影响，否则不但不能强化 生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
理想置换流动模型
含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。 与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同， 即物料是齐头并肩向前运动的。
特点
在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只 沿管长发生变化，与时间无关。所有物料质点在反应器中 都具有相同的停留时间。
反应器内浓度变化
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义 ➢ 对反应过程产生不同程度的影响 在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的 型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注 意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
反应器流动模型（P19） 理想流动 非理想流动
反应器的流动模型与混合 ppt课件
当t t，E t 0, E 0
平推流：E(t) (t - t 0 ) t 0－脉冲发生时间
当t t，E t , E
(t)
(t - t)
对脉冲输入 E(t) (t - 0)＝ (t) 对脉冲响应 E(t) (t - t)
PPT课件 25
c(0) c(t) t ln c(0) t c(t) - t/t 1 e c(0) c(t) - t/t 因此 F(t) 1 e c(0) dF(t) 1 - t/t E(t) e dt t
PPT课件 26
对全混流反应器，D 1 / t,因此 F(t) 1－e Dt E(t) De Dt 式中，D－稀释率，t－平均停留时间。 以时间表示，有： F( ) 1 e E( ) e
18
（2）方差（散度）
t2
阶跃法： t2
E(t)dt t E(t)dt- t t dF(t)- t t C(t)dt 脉冲实验数据： t C(t)dt 1 C （t） t C(t)dt t 2 t[1 ]dt t C （） C （）
第七章 反应器的流动 模型与混合特性
PPT课件
1
7.1 停留时间分布
1. 寿命分布：流体粒子从进入系统起到离开系统止，在系统内的停留 时间。
2. 年龄分布：存留在系统中的流体粒子，从进入系统中算起在系统中 的停留时间。
在实际应用于生物反应器时，寿命分布应用较多，因此在此所说的停 留时间分布一般指寿命分布。
PPT课件
9
7.1.2 停留时间分布的实验测定
（1）脉冲法
c0 (t )
反应器模型
Reactor Modeling gObjective:Introduce the various classes of eacto ode s a a ab e. reactor models available. References:•Unit Operation Models Reference Manual,U it O ti M d l R f M lChapter 5, Reactors•Web site /Reactor OverviewReactorsBalance BasedRYi ld Equilibrium BasedRE ilKinetics BasedRYield RStoic REquilRGibbsRCSTRRPlugRBatchRStoic:Stoichiometric Reactor•Performs mass balance calculations based onyreaction stoichiometry and flashes the outlet stream•Used when reactions kinetics are unknown or unimportantMaterial(Any number)Heat (Optional)Heat (Optional)Water Decant (Optional)Material (One)Reactor Modeling with AspenRStoic:Specifications•Use Setup Reactions sheet to specify theyStoichiometry and molar extent or conversion for each reaction.•Use Setup Specifications sheet theto specify reactor outlet operating conditions.–Two of temperature, pressure, duty and vaporfraction–The phases to consider in flash calculations(p q)(Default: Vapor‐Liquid)Reactor Modeling with AspenSpecifications RStoic: (Continued)Reactor Modeling with AspenReactions•RStoic: Reaction stoichiometryÖReactants have ‐stoichiometric coefficients ÖProducts have + stoichiometric coefficients reactions•Multiple –Simultaneous reactions (or Independent Reactions)•Example:CH 2ClCH 2Cl →HCl + CHCl=CH 2CH 2ClCH 2Cl →C 2H 2+ 2HCl–Series reactions (or Chain Reactions) •Use products from previous reactions as reactants Reactor Modeling with Aspenp p •Example:C 3H 6+ C 6H 6→C 9H 12RStoic: (Continued)Reactions•Each reaction requires an extent or fraction conversion.•Reaction extent is:rate of moles generated for any componentthat component’s stoichiometric coefficient •Fraction conversionis:Fractional conversion of a key reactant componentReactor Modeling with AspenReactions RStoic: (Continued)Reactor Modeling with AspenSeries reactions (or Chain Reactions)Heats of ReactionRStoic:•In general no need to enter heats of reaction•Calculated from the inlet and outlet material stream enthalpiesh l iHeat of Reaction = Enthalpy Leaving blockHeat of Reaction=Enthalpy Leaving block–Enthalpy Entering block–Added or Cooling dutyAdded or Cooling dutyReactor Modeling with AspenHeats of Reaction RStoic: •Use the Setup Heats of Reaction sheet tocalculate or specifythe heats of reaction.p y For thiscalculation typeYou must specify RStoic reports Do not calculateheat of reactionNothing Nothing C l l t h t fR N R f H t f R ti Calculate heat of reactionRxn No., Reference Component Heats of Reaction Specify heat ofRxn No Reference Reactor heat duty Specify heat of reaction Rxn No., Reference Component, Heat of Reaction Reactor heat duty based on thespecified heats ofReactor Modeling with AspenreactionRStoic: (Continued)Heats of Reaction•Must provide specifications for ALL reactions •the same reaction number as given on Use Setup Reactions sheet.•The reference component must be a reactant Th f bfor that reaction•Heat of reaction are calculated:–Atthe specified reference conditions–Based on consumption of a unit mole of thereference reactant selected for each reaction.f l d f h iReactor Modeling with AspenHeats of ReactionRStoic:InputResultsReactor Modeling with AspenHeats of ReactionRStoic: (Continued)•If the specified heat of reaction differs fromp pthe heat of reaction that Aspen Plus computes from the heats of formation at reference conditions.conditions–RStoic adjusts the calculated reactor heat duty to the differencesreflect differences.–Outlet stream enthalpy will not be consistent withreactor duty except:d•Heat duty set to zero. Outlet temperature will includespecified heat of reactionifi d h f iReactor Modeling with AspenResultsRStoic:•Summary–Outlet temperature and pressure–Heat duty–Net heat dutyh d–Molar vapor fraction•Mass moleMass, and enthalpy balance•Phase equilibrium of the outlet stream•Reactions–The calculated/specified molar extent–The calculated/specified heats of reaction (Optional)Th S l i i f d i h f•The Selectivity of product component with reference to a reactant component. (Optional)Reactor Modeling with AspenResultsRStoic: (Continued)Reactor Modeling with AspenEquilibrium Based Reactors qObjective:Detailed introduction to the specification and results of REquil and RGibbs reactor models.bb d lEquilibrium Based Reactors •Equilibrium Reactors–REquil–RGibbsk i ki i i•Do not take reaction kinetics into accountp,p•Solve similar problems, but problem specifications are different•Individual reactions can be at a restrictedI di id l ti b t t i t d equilibrium using a temperature approach to equilibrium or molar extent of reaction.Equilibrium Reactor REquil: b d h l d h l b b l •Computes combined chemical and phase equilibrium by solving reaction equilibrium equations •Useful when there are many components, a few known reactions, and y p ,,when relatively few components take part in the reactions (Optional)Material(Any number)(Optional)Material (Vapor)Heat Heat Material (Liquid)Slide 19Reactor Modeling with AspenSpecificationsREquil:• on the REquil Input Specification sheet Specifiedthe Reactor Conditions:–Specify two of•Temperature•Pressure•Vapor FractionV F i•Duty–Valid phases•Vapor‐Liquid•Vapor‐Only•‐Liquid Only•Solid‐Only•NOT Vapor‐Liquid‐LiquidSpecifications REquil: (Continued)EquilibriumREquil:•Calculates equilibrium constants from Gibbs energyl l l b f bb•Can restrict equilibrium by specifying one of:–Molar extent of the reaction–A temperature approach to chemical equilibrium•Temperature approach is the number of degrees above the reactor temperature at which chemical equilibrium is determined.T Equil=T R+ ΔTReactionsREquil:•Use the REquil Reactions sheet to define the reaction stoichiometry.h l h d f h h•By default REquil assumes that reactions will reach equilibrium (p pp)(Temperature approach = 0o).Slide 23REquil:Results•Summary–Outlet temperature and pressure–Heat duty–Net heat duty y–Molar vapor fractionMass, mole and enthalpy•Mass balance •Equilibrium constants. Not reported for ti h t i t d l t t reactions where restricted molar extent specified.REquil: (Continued)ResultsKinetics Based Reactors Objective:Detailed introduction to the specification and results of RCSTR, RPlug and RBatch reactor models. l d h d lKinetics Reactors•Kinetic reactors–RCSTR–RPlug–RBatch•Used to study reactions in model detail •Require–Some geometric details of thereactor–Details of the reaction stoichiometry and kineticsReactor Modeling with Aspen PlusMarch 27, 2009Slide 27Kinetics Reactors: RCSTR •RCSTR performs a mass and energy balance around an idealcontinuous stirred tank reactor with known reaction kinetics –Perfect Mixing is assumed on both Macroscopic andP f t Mi i i d b th M i dMicroscopic levelsHeat (Optional)Material (Any Number)Heat (Optional)MaterialRCSTR: Specifications •Specified on the Setup Specification sheet the:f d h f h h–Reactor Conditions•andPressure either Duty or Temperature –Holdup specifications:•Valid Phases to consider in RCSTR calculations–Vapor Only (Default)–Liquid Only–Vapor‐LiquidV Li id–Vapor‐Liquid‐Liquid–‐WaterLiquid Free–Vapor‐Liquid‐Free Water•Volume or Residence Time for Reactor holdupRCSTR: Specifications (Continued)RCSTR: Phase Volume•Override this calculations by specifying:p y–The volume of a phase directly–The volume of a phase as a fraction of the total reactorvolume–Residence timeRCSTR: Phase Volume (Continued)•Use the Setup Specifications sheet to definep g g how the phase volume/residence time is going to be specified.RCSTR: Reactions•Can handle kinetic and equilibrium type reactions•Specify reactions using a Reaction Set ID on the Setup Reactions sheet.sheetRCSTR: UserRoutines •User kinetics through the Reaction Set IDp –Calculate the reaction rates for each componentRCSTR: Results•Summary–Outlet Temperature–Heat Duty–Net Heat Duty–Total Reactor Volume,–Volume of each of the phases present including salts–Condensed Phase Volume.Volume occupied by thecondensed phases (liquid and solid) present in the reactor –Total Reactor Residence Time–Residence time of vapor and condensed phasesRCSTR: Results •Material and energy balances around the blockKinetics Reactors RPlug: •Performs a mass and energy balance around an ideal plug flow reactor.A f t i i i th di l di ti •Assumes perfect mixing in the radial direction •Assumes no mixing occurs in the axial direction O i l l l b ifi d•Optional coolant stream can also be specified Material CoolantMaterial (Optional)Material Material Coolant(Optional)RPlug:Specifications•Use the Setup Configuration sheet to specify–Reactor tube length–Reactor tube diameter–Number of tubes (optional)–Valid Phases•One, two or three‐phases•Vapor‐Only is the default•Use the Setup Pressure sheet to specify the pressure drop across the reactor.•Additional input depends on the reactor type chosen.Specifications RPlug:RPlug:Reactor types•There are 7 reactor types available–Reactor with Specified temperature–Adiabatic reactor–Reactor with constant coolantR t ith t t l t–Reactor with co‐current coolant–Reactor with counter‐current coolant–Reactor with specified coolant temperature profile –Reactor with specified external heat flux profileRPlug:Adiabatic Reactor•No required specifications•Temperature is calculated at each axial position based on the enthalpy balance.th l b lReactionsRPlug:•Can handle kinetic reactions•Cannot handle equilibrium reactions•Specify reactions using a Reaction Set ID on the Setup Reactions sheetRPlug: RoutinesUser•User kinetics through the Reaction Set ID–Calculate the reaction rates for each component•Heat Transfer–Calculate the heat transfer rates per unit reactor wall area at any point along the reactori l h•Pressure dropl l h d f b h h d –Calculate the pressure drop for both the process andcoolant streams at any point along the reactor.ResultsRPlug:•SummaryS–Heat DutyMinimum Temperature–Reactor–Reactor Maximum Temperature–Residence Time (average for all phases presentin the process stream)gy•Material and energy balances around the block •Profiles results versus reactor length–Process stream conditions–Coolant stream conditions–Property set propertiesProfile RPlug:TemperatureMolar Composition Profile RPlug:。
反应器模型
用于
反应动力学不知道或不重要，但 化学计量数和程度是已知的反应 器 反应动力学不知道或不重要，但 收率分布已知的反应器 化学平衡和相平衡同时发生的反 应器 化学平衡和相平衡同时发生的反 应器，对固体溶液和气-液-固系 统计算相平衡 带反应速率控制和平衡反应的单 相、两相或三相搅拌釜式反应器， 在任何基于已知的化学计量和动 力学的相态 带反应速率控制的单相、两相或 三相活塞流反应器，在任何基于 已知的化学计量和动力学的相态 带反应速率控制的单相、两相或 三相间歇和半间歇反应器，在任 何基于已知的化学计量和动力学 的相态
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1 (Valid Phases)
汽 / 液 / 固 / 汽 -液 / 汽 -液 -液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
第 21 页
REquil ——化学反应
第 11 页
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。
第 12 页
RYield——产率反应器
第 13 页
RYield ——模型参数
RYield 模块有五组模型参数：
第 23 页
RGibbs—吉布斯反应器
第 24 页
RGibbs—模型参数
RGibbs 模块有五组模型参数：
1、模型设定 (Specifications) 2、产物 (Products) 3、物流指定 (Assign Steams) 4、惰性物 (Inerts) 5、限制平衡 (Restricted Equilibrium)
化学工程中的反应器建模
化学工程中的反应器建模化学反应器是化学工程领域里一类非常重要的设备，用于进行化学反应以及转化反应物成为产物。
但是在真实的反应环境中，许多因素都会影响反应器的反应结果，如温度、压力、反应器几何形状等。
因此，建立反应器的数学模型是理解和优化反应器性能的关键。
反应器建模是化学工程中非常重要的部分，通过建立反应器模型，可以预测反应器的性能、优化反应器的工艺条件。
反应器建模的目的是根据反应器的物理、化学动力学、流体力学等方面的特点，建立反应器的数学模型。
这个模型可以用来分析反应器的性能，预测产物的输出率以及优化反应器的设计和操作条件。
本文将介绍反应器建模的主要方法和模型类型，并探究反应器建模在化学工程领域中的应用。
一、反应器建模的方法反应器建模的方法主要分为三种，分别是基于质量守恒定律的方法、基于物理性质的方法以及基于化学动力学的方法。
1.基于质量守恒定律的方法根据质量守恒定律，物质在反应器中的质量守恒原则是反应器建模的基础。
在建立基于质量守恒定律的反应器模型时，需要考虑流体的质量变化以及各组分的通量。
质量守恒定律模型适用于稳态反应器，但难以描述非稳态模型，因此在设计反应器过程的动态特性时，需要考虑其他的方法。
2.基于物理性质的方法基于物理性质的方法需要考虑反应过程中的多物理现象，如传热、传质和流体动力学。
在反应器的设计过程中，可以根据反应器的几何形状、物理性质和流体动力学等因素建立物理模型。
物理模型能够提供反应器的各项参数，如温度场、浓度分布和流动速度等信息。
3.基于化学动力学的方法化学反应是反应器中的核心过程，因此反应器建模需要考虑化学动力学。
化学动力学方法适用于描述反应器的动态特性。
在建立化学动力学模型时，需要考虑反应器中反应组分的反应速率常数、化学反应方程式和反应物之间的相互作用等因素。
二、反应器模型的类型在反应器建模的过程中，还需要根据反应器的操作特点，确定反应器的模型类型。
反应器模型主要分为热平衡模型、动态模型、多相模型和强度模型等。
反应工程反应器的流动模型与混合特性课件
目录
• 引言 • 反应工程基础 • 反应器的流动模型 • 反应器的混合特性 • 反应器流动与混合的数值模拟 • 案例分析
01
引言
课程目标
01
掌握反应工程反应器的 基本原理和流动模型。
02
理解反应器的混合特性 及其对反应过程的影响 。
03
学会运用数学模型和计 算机模拟方法进行反应 器设计和优化。
混合模拟的应用
预测反应器的混合程度、停留时间分布、传质和传热等，优化反应器的混合效果 和操作参数。
06
案例分析
案例一：管式反应器的流动与混合特性
总结词
管式反应器是一种长管状设备，常用于连续流动反应。其流动特性主要表现为流体在管 内的层流，混合特性受流体粘度、管径和流速影响。
详细描述
管式反应器在工业上应用广泛，主要用于实现连续流动和反应。由于其长管状结构，流 体在管内主要以层流形式流动，即流体各层之间相对滑动，流速随管径和流速的增加而 增加。管式反应器的混合特性主要受流体粘度、管径和流速的影响。粘度越大，混合越
03
反应器的流动模型
层流模型
层流模型描述的是低雷诺数下的 流动状态，流体质点沿着流动方 向作有规则的层状运动，没有或
很少有横向混
层流模型适用于描述粘性流体在 管内作低速、层状流动的情况， 例如：化学反应器中的流动、高
粘液体的流动等。
层流模型可以预测流体的压力降 、流量分布和摩擦阻力等参数。
湍流模型
02
反应工程基础
化学反应动力学基础
01
02
03
04
化学反应速率
描述化学反应快慢的物理量， 与反应物浓度、温度等因素有
对二甲苯氧化反应器燃烧程度神经网络模型
。为此提出以反应器尾气中 CO 和 CO2 总含
量来表征氧化反应器燃烧副反应程度 ( 以下简称为 : 燃烧程度) 。同时 , 通过机理分析选取影响反应器燃 烧程度主要可调工艺操作参数为自变量, 以氧化反 应器燃烧程度为因变量 , 采用神经网络技术提取各 工艺操作参数对氧化反应器燃烧程度的影响 , 建立 氧化反应器燃烧程度模型 , 从而为生产操作参数的 优化、 生产工艺的改造等提供依据。
CO x 作为期望输出值 ,
训练网络。
CO
x
当网络收敛时 , 获得尾气中 CO 和 CO 2 总含量
图 1 神经网络结构图 Fig. 1 Neural network structure diagram
( % ) 的神经网络模 型, 即燃烧程度神经网 络模型。 燃烧程度神经网络模型的 拟合相对误差平 均值为 3. 1% 。 为了进一 步检 验建立 模 型的 性能 , 另 外采 集 251 组未参加训练的工业装置数据 , 通过以上建立 的模型预测每组操作参数对应的反应器尾气中 CO 和 CO 2 总 含 量, 模 型 的 预 测 相 对 误 差 平 均 值 为 3. 47% 。 同时为了直观显示模型的预测精度, 以反应 器尾气中 CO 和 CO 2 总含 量的实际 测量值为 横坐 标, 以模型的预测值为 纵坐标作图 , 结果如图 3 所
16 18 卷
示。图中星型表示预测值 , 对角直线是表示预测误 差为 0。从图 3 可以看出, 预测值分布在对角线两 测的一个窄范围内, 即模型良好描述各工艺操作参 数对反应器燃烧副反应的影响。
得明显 , 其中循环母 液中 Co 的的质量分数 对燃烧 程度的影响比 Br 的质量分数对燃烧程度的影响小。 从这些关系曲线可以定量分析各工艺操作参数对反 应器燃烧程度影响大小, 为平时生产过程操作参数 调整和优化提供指导。
化学反应器的动态模型
根据反应动力学和热力学原理，控制反应压 力，以获得更好的反应效果。
温度控制
根据化学反应的速率和选择性，优化反应温 度，提高产物收率和质量。
浓度与流量控制
优化反应物浓度和进料速度，以提高反应效 率并降低能耗。
新型反应器技术的研究与应用
微反应器技术
01
利用微通道和微型化装置，实现快速高效的化学反应
01
化学反应通常伴随着热量的吸 收或释放，因此传热过程对化 学反应的进行和产物生成有重 要影响。
02
传质过程是指反应物和产物的 传递和扩散过程，对于连续流 动的反应器，传质过程对产物 分布和收率有一定影响。
03
传热和传质过程可以通过外部 换热器和内部填料等方式进行 强化，以提高化学反应器的效 率和产物质量。
收集数据
收集化学反应器的实验数据，包括反应物浓 度、温度、压力等参数。
建立数学模型
根据化学反应原理和实验数据，建立描述化 学反应器动态行为的数学模型。
模型求解
利用数值计算方法求解建立的数学模型，得 到反应器内各参数随时间的变化情况。
模型参数的确定与优化
参数识别
通过实验数据和已知化学反应动力学参数，确定模型 中的未知参数。
。
连续流动反应器
02 通过连续流动的工艺实现大规模生产，提高生产效率
和产品质量。
生物反应器技术
03
应用于生物发酵和酶催化等生物转化过程，促进生物
制品的生产。
05
化学反应器的安全与环保
反应过程中的安全隐患及预防措施
反应失控风险
化学反应可能因温度、压力等参数异常而失控，导致设备损坏、爆炸等安全事故。预防措施包括实时监控反应参数、 设置安全联锁、配备紧急停车系统等。
4. 生物反应器的操作模型
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s
或
rmaxtr (Cs0 Cs ) Km ln
Cs0 Cs
Cs0 Km
Cs0 Km
Cs0 1 rmax tr Km ln Km ln 1 X s Cs
rmaxtr Cs0 X s Cs0 Cs
第4章 生物反应器的操作模型
基本要求：
掌握BSTR、CSTR、CPFR生化反应器的基本设计方程、及其 操作特点以及操作模型得到的主要结果 操作模型得到的主要结果 （1）BSTR:tr、VR的有关计算 （2）单级CSTR：D,Dopt,DC和CX,Cs,DCx以及 的计算 m 的关系 和 CX,Cs 的计算 （3）带循环的CSTR：D, DC与R， （4）CPFR：带循环CPFR模型的特点及 Ropt 和 P的确定 （5) CSTR 与CPFR的比较与组合 （6）FBC：恒速流加与指数流加的主要特征 （7）反应-分离耦合操作的主要特征 （8）研究CSTR动态特性的意义
2.转化率
CS 0 CS XS CS 0
CP 平均选择性SSP aSP (CS 0 CS ) rP 瞬时选择性SSP rS
4.收率
CP YP X S S SP aSP CS 0
5.反应器生产率 目的产物在单位时间、单位反应器体积的产量，又称反 应器的生产能力(生产强度） (kg m-3 h-1)
反应器设计基本方程
• 物料衡算式 基质 产物 细胞 • 能量衡算式
要考虑的主要项目：反应动力学方程，物料 衡算式，能量衡算式和各种传递过程参数的 计算式
（1）物料衡算式 组分进入 组分流出 体积单元内 体积单元 该体积单 ＝ 该体积单 ± 组分的转化 ＋ 内组分的 元的量 元的量 或生成量 累积量 细胞进入 细胞流出 体积单元内 体积单元 该体积单 ＝ 该体积单 － 细胞的生长 ＋ 内细胞的 元的量 元的量 量 累积量
化学工程中的反应器模型和模拟技术
化学工程中的反应器模型和模拟技术化学工程是将化学原理和工程技术相结合，开发出能够实现化学转化的设备和工艺流程的一门学科。
其中反应器是化学工程中最重要的设备之一，用来控制化学物质的反应速率和转化程度。
反应器模型和模拟技术则是反应器设计和运行最为关键的技术，本文将从这两个方面展开讨论。
一、反应器模型反应器模型是指针对特定反应器和反应物质，建立的描述反应过程的数学模型。
反应器模型的建立可以通过实验测定反应物质的一些基本性质和反应条件，以及对反应过程的掌握和理解，来推导出反应速率、反应热和物料平衡等一系列反应过程的关键参数。
反应器模型可分为宏观模型和微观模型两种。
宏观模型是指针对整个反应器系统所建立的数学模型，主要是考虑反应器内物料流动、反应转化、传质和传热等宏观过程；微观模型则是基于反应物质分子水平，对反应的原子层面过程进行描述，相对于宏观模型而言，更能深入了解反应机理和影响反应速率的因素。
在建立反应器模型时，需要考虑多种化学和物理因素，如反应机理、反应床形态、反应条件及物质特性等。
针对不同类型的反应器，反应器模型也不同，如常见的批量反应器、连续式反应器和固定床反应器等，它们在反应机理、物料流动和传质传热等方面都有不同之处。
二、反应器模拟技术反应器模拟技术是指用计算机工具来对反应器模型进行数值求解的过程。
这种技术的出现，一方面可以解决反应器试验成本高、周期长、难以复制等问题，另一方面可以更深入地分析反应过程和预测反应器性能。
反应器模拟技术可以分为两种类型，一种是基于常微分方程（ODE）的求解技术，另一种是基于偏微分方程（PDE）的求解技术。
ODE常常用于批数和离散反应器，而PDE则适用于连续反应器，由于PDE可以考虑反应器内各物理场（如流动、传质、传热等）的影响，更能反映真实的反应器状态。
反应器模拟技术的应用可以涉及到反应器的设计、优化和运行等多个方面。
例如，在反应器设计阶段，可以采用反应器模拟技术模拟反应器性能、确定最优反应条件和反应器尺寸等；在反应器优化阶段，可以通过反应器模拟技术分析不同运行条件下反应器性能的变化，从而优化反应器性能，降低运行成本；在反应器运行阶段，可以通过反应器模拟技术及时发现反应器系统中的问题，提示操作人员进行调整，从而提高反应器的运行稳定性和反应效率。
反应器结构及工作原理图解
反响器构造及工作原理图解小 7：这里给大家介绍一下常用的反响器设施，主要有以下种类：①管式反响器。
由长径比较大的空管或填补管组成，可用于实现气相反响和液相反响。
②釜式反响器。
由长径比较小的圆筒形容器组成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反响过程和液液相、气液相、气液固相等多相反响过程。
用于气液相反响过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反响器）；用于气液固相反响过程的称为搅拌釜式浆态反响器。
③有固体颗粒床层的反响器。
气体或(和)液体经过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反响过程，包含固定床反响器、流化床反响器、挪动床反响器、涓流床反响器等。
④塔式反响器。
用于实现气液相或液液相反响过程的塔式设施，包含填补塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。
一、管式反响器一种呈管状、长径比很大的连续操作反响器。
这类反响器能够很长，如丙烯二聚的反响器管长以公里计。
反响器的构造能够是单管，也能够是多管并联；能够是空管，如管式裂解炉，也能够是在管内填补颗粒状催化剂的填补管，以进行多相催化反响，如列管式固定床反响器。
往常，反响物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填补段长与粒径之比大于100( 气体 ) 或 200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。
分类：1、水平管式反响器由无缝钢管与U形管连结而成。
这类构造易于加工制造和检修。
高压反响管道的连结采纳标准槽对焊钢法兰，可蒙受1600-10000kPa 压力。
如用透镜面钢法兰，蒙受压力可达kPa。
2、立管式反响器立管式反响器被应用于液相氨化反响、液相加氢反响、液相氧化反响等工艺中。
3、盘管式反响器将管式反响器做成盘管的形式，设施紧凑，节俭空间。
但检修和清刷管道比较困难。
4、 U 形管式反响器U形管式反响器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以加强传热与传质过程。
U 形管的直径大，物料逗留时间增添，可应用于反响速率较慢的反响。
5、多管并联管式反响器多管并联构造的管式反响器一般用于气固相反响，比如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相催化剂的反响器中反响制氯乙烯，气相氮和氢混淆物在多管并联装有固相铁催化剂的反响器中合成氨。
第四章生物反应器的操作模型
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
• (4)有良好的热量交换性能，以适应灭菌操 作和使发酵在最适温度下进行； • (5)尽量减少泡沫的产生或附设有效的消泡 装置，以提高装料系数； • (6)附有必要和可靠的检测及控制仪表
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 （BSTR）
• 反应时间的计算 • 反应器有效容积的确定 • 间歇反应过程的优化
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 临界稀释率
六、多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
第四节 连续操作的管式反应器 （CPFR）
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
生化反应器的分类（续）
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合） 理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
反应器及模型1-11
Scale up of size of reactor
1.
Size scale up
m
V2 V1
V2 V1
H1 D2
D2 D1
H2 D2
A
1 3
m
D2 D1
3
m
H2 H1
m
1 3
V2 V1
2 D H2 4 2
2 D H1 4 1
D2 3 D1
Scale up of air input
１、constant of air rate per volume （VVM1）＝（VVM2）
Wg
(VVM )VL D 4 2
( 273 t ) 273 P
(VVM)1＝(VVM)2
Wg
(VVM )VL PD2
D2 D1
VVM D P
Wg 2 Wg1
P 1 P2
2. Constant of air rate per square area
原料成本总是占据重要地位。在操作成本中，能量 消耗是一个主要方面。在有些过程中，能量成本甚至 高达三分之一。
生物反应器设计和操作的限制因素
酶或微生物是一种生物催化剂。实际上，反应器 还要受到物理因素的限制。若生物催化剂的浓度和比 活力都很高，传质和传热就成为提高反应器生产能力 的限制因素。
在生物催化剂浓度较低或比活力也较低时，生物催化 剂的因素是生物反应器生产能力的限制因素。但在生 物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器的操 作因素却成为限制因素。
鼓泡塔式：（气液接触为错流）
生物反应器的操作模型
边界条件 假定： t=0时，cS =cS0,X S 0
t=tr时，cS =cS , X S X S
则有：
tr
dc cS 0
S
r cS
S
tr
cS 0
XS dX S 0 rS
tr为底物达到某一反应程度时所需要的反应时间
二、酶催化反应的反应时间
均相酶催化反应 固定化酶催化反应
二、酶催化反应的反应时间
SSP：反应的平均选择性
SSP
=
rP rS
三、操作参数
收率
实际产物生成量与底物全部生成目的产物的理论量之比值
YP
=
cP aSP cS0
收率（YP）、转化率（XS）和选择性（SSP）之间的关系
YP =X P SSP
对生物反应过程，目的产物的收率，即底物向目的产物转化的 比例，是作为实施生物反应过程优化操作的重要目标函数。
三、操作参数
反应器生产率
目的产物在单位时间、单位反应器体积的产量，又称反应器生 产能力，简称容积生产率
分批操作
P
cP t
cS 0 X S t
t为一个操作周期中反应时间tτ与辅助时间0 X S
τ为物料在反应器中的平均停留时间，cP为流出液中的产物浓度
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 Batch Stirred Tank Reactor, BSTR
一、基本操作模型
特点 物料一次性加入，一次性排除 - 反应时间+辅助时间 - 浓度紧随时间变化，与位置无关 - 非稳态过程
dVR dt
0，Fin =Fout =0
一、基本操作模型
质量衡算式
细胞：dcX dt
rX
cX
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第五章反应器模型
目的：介绍各种类型的、可用的反应器模型，每类中至少详细考察一个反应器。
（1）反应器概述
Reators
(反应器)
以物料平衡为基础
Ryield
(收率反应器)
Rstioc
(化学计量反应器)以反应平衡为基础
REquil
(平衡反应器)
RGibbs
(吉布斯反应器)
以动力学为基础
RCSTR
(连续搅拌釜式反应器)
RPlug
(活塞流反应器)
RBatch
(间歇反应器
)
①基于物料平衡反应器
●RYield
➢只要求物料平衡，不要求原子平衡
➢用来模拟入口物流不知道，但出口物流已知的反应器（例如，模拟一个炉子）
●RStoic
➢要求原子平衡和质量平衡
➢用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器
➢可以规定或计算在参考温度和压力下的反应热
②以化学平衡为基础的反应器
●概述
➢不考虑反应动力学
➢各个模块能解算相似的问题，但问题规定不同
➢单个反应能达到严格平衡
●REquil
➢通过求解反应平衡方程而计算化学平衡和相平衡
➢不能进行3相闪蒸计算
➢可用在有许多组分、已知一些反应并且较少组分参加反应的情况
● RGibbs
➢ 未知反应
当发生的反应未知，或由于有许多组分参与反应，致使反应数量很多时，该功能十分有用 ➢ 吉布斯能最小
通过吉布斯自由能最小化来确定在产品吉布斯自由能最小时的产品组成 ➢ 固体平衡
RGibbs 是唯一能处理固-液-汽相平衡的Aspen Plus 模块
③ 动力学反应器
● 动力学反应器有RCSTR ，RPlug 和RBatch ● 因为考虑了反应动力学, 所以必须定义反应动力学
● 动力学可以用一个内置模型定义, 或用一个用户子程序定义，现有的内置模型是：
➢ 幂律模型
➢ Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson （LHHW ） ● 反应的催化剂的反应系数可以为零 ● 反应是用反应ID 指定 （2）使用反应ID
● 反应ID 被设置成对象，独立于反应器，并且在反应器中被引用。
● 单个反应ID 可以在任意个数动力学反应器（RCSTR ，RPlug 和Rbatch ）中引用。
● 若建立一个反应ID ，请进入Reactions Reactions 对象管理器页面。
（3）幂律速率表达式
⎪
⎭
⎫
⎝⎛-=RT k 活化能指前因子exp T )(n ∏=i
i k rate i
][*幂指数浓度示例:
2321
2A B C D k k +−→−←−
−+正反应: (假设反应中A 为2级，B 为3级)
系数:A: B: C: D:指数:A: B: C: D:-2-312 2 300
逆反应: (假设反应中C 为1级，D 为2级)
系数:C: D: A: B: 指数:C: D: A: B: -1-2 23 1 2 0
（4）反应热
● 不需要为反应提供反应热
● 反应热通常按反应器入口和出口焓差计算（参见附录A ）
● 如果你有的反应热数值和Aspen Plus 计算出的反应热数值不相匹配，你可以调整一
个或多个组分的生成热（DHFORM），使你的反应热数据和计算的反应热数据相匹
配
●在RStoic反应器中，可以规定或计算参考温度、压力下的反应热
（5）示例
用不同反应器类型模拟一个反应，比较各个反应器类型的不同用法。
●反应器条件
Temperature（温度）= 70℃
Pressure（压力）= 1 atm
●化学计量式
Ethanol（乙醇）+Acetic Acid（乙酸）<-->Ethyl Acetate（乙酸乙酯）+Water（水）
●动力学参数
正反应：Pre-exp. Factor（指前因子）= 1.9 ⨯ 108，
Act. Energy（活化能）= 5.95 ⨯ 107 J/kmol
逆反应：Pre-exp. Factor （指前因子）=5.0 ⨯ 107，
Act. Energy （活化能）= 5.95 ⨯ 107 J/kmol
反应中每个反应物的反应都是1级（总共为2级）。
●反应发生在液相中。
提示：核对每个反应器是否把汽相和液相都考虑成有效相态。
RCSTR
具体过程如以下几图所示。
画流程图。
指定组分乙醇、乙酸、乙酸乙酯和水。
采用NRTL-RK物性方法。
查看NRTL-RK物性方法的二元交互参数。
定义原料（FEED）物料。
Temp = 70℃、Press= 1 atm，水：8.892kmol/h、乙醇：186.59 kmol/h、乙酸：192.6 kmol/h。
点击左边菜单树窗体中Reactions/Reactions，在右边的窗体中点击New...添加新反应集。
点击New...按扭添加新反应集
反应类型选POWERLAW（幂指数形式）。
类型选择POWERLAW 点击New...按扭输入新反应。
点击New...按扭添加新反应
输入正反应的计量系数和幂指数。
注意反应物的计量系数为负值。
系数指数
输入逆反应的计量系数和幂指数。
输入完成后如下。
输入正反应的指前因子k和活化能E。
k= 1.9 ⨯ 108，E= 5.95 ⨯ 107 J/kmol。
输入逆反应的指前因子k和活化能E。
k= 5.0 ⨯ 107，E= 5.95 ⨯ 107 J/kmol。
查看DUPL模块。
这里需要确认一下，但不需作任何改动。
定义RCSTR模块。
Temp = 70℃、Press= 1 atm、V olume = 0.14 m3。
Valid phases（有效相）为Liquid-Only（仅液相）。
选择刚定义的反应集R-1。
定义RGIBBS模块。
Temp = 70℃、Press= 1 atm，注意Calculation options为Phase equilibrium & chemical equilibrium，Phases为Include vapor phase。
定义RPLUG模块。
反应器类型选Adiabatic reactor（绝热反应器）。
Length = 2 m、Diameter = 0.3 m。
Process stream选Liquid-Only（仅液相）。
选择刚定义的反应集R-1。
定义RSTOIC模块。
Temp = 70℃、Press= 1 atm、V olume = 0.14 m3。
Valid phases（有效相）选Liquid-Only（仅液相）。
点击New...按扭添加新反应。
点击New...按扭添加新反应
编辑反应（注意反应物的计量系数为负值），乙醇的摩尔转化率0.7。
至此，所有模块输入完成，如下图。
打开控制面板，运行得到结果。