第5讲 ASPEN PLUS 反应器的模拟与优化
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18
REquil —
模型参数
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)
19
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：
2
3
化学反应器是整个化工工艺流程的核心， 化学反应器是整个化工工艺流程的核心 ， 是实现化学物质转化的必要工序
4
为保证目的产品组分的产率和选择性， 为保证目的产品组分的产率和选择性 ， 必须选择适宜的反应器类型和反应器网 络。
PFR CSTR
CSTR
PFR CSTR
PFR
CSTR
PFR
5
本讲目的
−
27
在恒温恒压且无非体积功的条 件下，自发过程总是向着吉布斯函 数减少的方向进行，直至系统的吉 布斯函数不再改变(dG＝0)，或者 减少到该条件下的最小值时，系统 便处于平衡态。
28
RGibbs —— 模型设定
29
RGibbs —— 产物
有三种选择： 有三种选择：
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；
7
Rstoic — 化学计量反应器 — 模型参数
1、模型设定(Specification) 模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) Combustion） 3、燃烧 （Combustion） 4、反应热 (Heat of reaction) 5、选择性 （Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) Attri.) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics)
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 (Component Attr.)
13
RYield —— 产率
指定相对于每一单位质量非惰性进料而言 出口物流中各种组分间的相对产 ，RYield出口物流中各种组分间的相对产 并设定进料中的惰性组分。 率。并设定进料中的惰性组分。
11
（一）生产能力类反应器
Ryield— 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。
产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！
12
RYield 模块有五组模型参数：
8
wk.baidu.com
RStoic —— 选择性
选择性定义为： 选择性定义为：
[∆P / ∆A]real S P,A = [∆P / ∆A]ideal
的生成摩尔数； △P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； 代表选定组分 的生成摩尔数 的消耗摩尔数； △A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； 代表参照组分 的消耗摩尔数 real 代表反应器内的实际情况； 代表反应器内的实际情况； ideal 代表只有 代表只有A→P一个反应发生时的情况。 一个反应发生时的情况。 一个反应发生时的情况
PLUS反应器的 第5讲 ASPEN PLUS反应器的 模拟与优化
目录
1.
生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield)
2.
平衡类反应器
平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs)
3.
动力学类反应器
全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
1、操作条件 (Operation Conditions) 、 (1) 压力； (2) 温度 蒸汽分率 热负荷 压力； 温度/蒸汽分率 蒸汽分率/热负荷 2、有效相态 (Valid Phases) 、 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 液 液液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水 游离水 液 游离水
9
RStoic计算－例5.1 计算－ 计算
丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、 丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1 丁烯、正丁烷、 丁烯、 丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示： 顺-2-丁烯、反-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示：
序号 1 2 3 4 5 6 1-Butene → Isobutylene 4 (1-Butene) → Propylene(丙二醇 + 2-Methyl-2-Butene + 1丙二醇) 丙二醇 Octene(辛烯 辛烯) 辛烯 Cis-2-Butene → Isobutylene 4 (Cis-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene Trans-2-Butene → Isobutylene 4 (Trans-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene 反应 转化率 0.36 0.04 0.36 0.04 0.36 0.04
14
RYield — 示例5.2
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：
CH 4 + 2H 2O ↔ CO 2 + 4H 2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流量为 100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统 kmol/hr 反应在恒压及等温条件下进行， /hr。 总压为0.1013 MPa，温度为750 总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃，如果反应器出 口物流中摩尔比率CH 口物流中摩尔比率CH4 : H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 等于1 的产量是多少？ 4时，CO2和H2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？ 荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元 素平衡？ 素平衡？
1、平衡反应器（Equilibrium 平衡反应器（
平衡常数法求解产物组成
Reactor） Reactor）
2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor） Reactor） 吉布斯反应器（
最小自由焓法求解产物组成
17
REquil —平衡反应器
性质：根据化学反应方程式进行反应， 根据化学反应方程式进行反应， 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 并同时达到相平衡。 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 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， 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。 的结果。
Equilibrium Reactor — 示例
CH4 + H2O ↔CO + 3H2
CO + H2O ↔CO2 + H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流 量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件 量为100 kmol/hr。 下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为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H2的产 量是多少？反应热负荷是多少？ 量是多少？反应热负荷是多少？
24
深入讨论：
分析示例中反应温度在300℃范围变 分析示例中反应温度在300-1000 ℃范围变 300 化时对反应器出口物流CH 化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响 。 将示例中的反应温度设为1000 ℃， 将示例中的反应温度设为1000 ℃，分别分 析反应(1)和反应(2) (1)和反应(2)的平衡温差在 200 析反应(1)和反应(2)的平衡温差在 –200 ℃范围变化时对反应器出口物流 范围变化时对反应器出口物流CH 0 ℃范围变化时对反应器出口物流CH4质量 分率和CO/CO 摩尔比的影响。 分率和CO/CO2摩尔比的影响。
15
深入讨论：
若在示例的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气 ，其余条件不变，计算结果会发生什么变 化？ 以示例的结果为基础，在Ryied模块的产率 设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计 算，结果如何？
16
（二）热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算反应结果， 根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。 不考虑动力学可行性。
10
进料流股的温度为16℃ 压力为1.9 atm，进料组成如下表所示： 进料流股的温度为16℃，压力为1.9 atm，进料组成如下表所示： 16 组分 正丁烷（ 正丁烷（n-Butane） ） 1-丁烯（1-Butene） 丁烯（ 丁烯 ） 丁烯（ 顺-2-丁烯（Cis-2-Butene） 丁烯 ） 丁烯（ 反-2-丁烯（Trans-2-Butane） 丁烯 ） 异丁烯（ 异丁烯（Isobutene） ） 流量（ 流量（kg/hr） ） 35000 10000 4500 6800 1450
20
化学平衡常数
∆G = −RT ln K
吉布斯自由能的变化
Θ
(标准状态下）
d ln K ∆H = dT RT
范特霍夫方程
Θ R 2
（其它温度下）
21
REquil 由Gibbs 自由能计算平衡常数。 你能够通过下列之一限制平衡： （1）任何反应的摩尔程度 （2）化学平衡接近温度对任何反应
接近温度
26
对单相系统， 对单相系统 ， 规定 T 和 P下的总吉布斯能由下式 给出: 给出:
G = ∑Ni Gi
i=1
C
−
G 式中 Ni 和 i 分别是平衡混合物中组分 i 的摩 尔数和偏摩尔吉布斯能。 尔数和偏摩尔吉布斯能 。 组分包括进料组分及 可能由化学反应产生的组分。 可能由化学反应产生的组分 。 在受原子衡算约 最小化。 束的条件下， 束的条件下 ， 总吉布斯能对 Ni 最小化 。 这种方 法容易推广到多相系统。 法容易推广到多相系统。
T=Treaction - ∆T T=TReaction+∆T
(吸热反应） (放热反应）
如果你规定接近温度ΔT ，则REquil 估计在T+ΔT时的化学 平衡常数。这里的 T 是反应温度（规定的或计算的）。
22
23
REquil — 例5.3
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 （1）
熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型 以及它们在过程模拟中的应用； 以及它们在过程模拟中的应用； 了解特定的反应过程的特点， 了解特定的反应过程的特点，选择相适应 的反应器类型或反应器网络， 的反应器类型或反应器网络，保证所需产 品组分足够的产率和选择性。 品组分足够的产率和选择性。
6
（一）生产能力类反应器
25
RGibbs—吉布斯反应器 RGibbs
性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最 性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最 Gibbs 小值的原则， 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。 分布。 用途：已知（或未知）化学反应式，不 已知（ 已知 或未知）化学反应式， 知道反应历程和动力学可行性， 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。 衡结果。
Rstoic — 化学计量反应器
性质：按照化学反应方程式中的计量关 按照化学反应方程式中的计量关 系进行反应， 系进行反应，有并行反应和串联 反应两种方式， 反应两种方式，分别指定每一反 应的转化率或产量。 应的转化率或产量。 用途：已知化学反应方程式和每一反应 已知化学反应方程式和每一反应 的转化率，不知化学动力学关系。 的转化率，不知化学动力学关系。
热力学模型选择RK-Soave。 热力学模型选择RK-Soave。 RK 反应器操作条件：温度为400 400℃ 压力为1.9 atm。 反应器操作条件：温度为400℃，压力为1.9 atm。 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、由1-丁烯转化为异 RStoic模型确定反应物料的组成 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。
REquil —
模型参数
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)
19
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：
2
3
化学反应器是整个化工工艺流程的核心， 化学反应器是整个化工工艺流程的核心 ， 是实现化学物质转化的必要工序
4
为保证目的产品组分的产率和选择性， 为保证目的产品组分的产率和选择性 ， 必须选择适宜的反应器类型和反应器网 络。
PFR CSTR
CSTR
PFR CSTR
PFR
CSTR
PFR
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本讲目的
−
27
在恒温恒压且无非体积功的条 件下，自发过程总是向着吉布斯函 数减少的方向进行，直至系统的吉 布斯函数不再改变(dG＝0)，或者 减少到该条件下的最小值时，系统 便处于平衡态。
28
RGibbs —— 模型设定
29
RGibbs —— 产物
有三种选择： 有三种选择：
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；
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Rstoic — 化学计量反应器 — 模型参数
1、模型设定(Specification) 模型设定(Specification) 2、化学反应 (Reactions) Combustion） 3、燃烧 （Combustion） 4、反应热 (Heat of reaction) 5、选择性 （Selectivity) 6、粒度分布 (PSD) Attri.) 7、组分属性 （Components Attri.) 8、热力学模型 (Thermodynamics)
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 (Component Attr.)
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RYield —— 产率
指定相对于每一单位质量非惰性进料而言 出口物流中各种组分间的相对产 ，RYield出口物流中各种组分间的相对产 并设定进料中的惰性组分。 率。并设定进料中的惰性组分。
11
（一）生产能力类反应器
Ryield— 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。
产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！
12
RYield 模块有五组模型参数：
8
wk.baidu.com
RStoic —— 选择性
选择性定义为： 选择性定义为：
[∆P / ∆A]real S P,A = [∆P / ∆A]ideal
的生成摩尔数； △P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； 代表选定组分 的生成摩尔数 的消耗摩尔数； △A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； 代表参照组分 的消耗摩尔数 real 代表反应器内的实际情况； 代表反应器内的实际情况； ideal 代表只有 代表只有A→P一个反应发生时的情况。 一个反应发生时的情况。 一个反应发生时的情况
PLUS反应器的 第5讲 ASPEN PLUS反应器的 模拟与优化
目录
1.
生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield)
2.
平衡类反应器
平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs)
3.
动力学类反应器
全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
1、操作条件 (Operation Conditions) 、 (1) 压力； (2) 温度 蒸汽分率 热负荷 压力； 温度/蒸汽分率 蒸汽分率/热负荷 2、有效相态 (Valid Phases) 、 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 液 液液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水 游离水 液 游离水
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RStoic计算－例5.1 计算－ 计算
丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1-丁烯、正丁烷、 丁烯异构化反应模型的建立，混合丁烯包含1 丁烯、正丁烷、 丁烯、 丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示： 顺-2-丁烯、反-2-丁烯和异丁烯，发生的反应如下所示：
序号 1 2 3 4 5 6 1-Butene → Isobutylene 4 (1-Butene) → Propylene(丙二醇 + 2-Methyl-2-Butene + 1丙二醇) 丙二醇 Octene(辛烯 辛烯) 辛烯 Cis-2-Butene → Isobutylene 4 (Cis-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene Trans-2-Butene → Isobutylene 4 (Trans-2-Butene) → Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1Octene 反应 转化率 0.36 0.04 0.36 0.04 0.36 0.04
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RYield — 示例5.2
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：
CH 4 + 2H 2O ↔ CO 2 + 4H 2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流量为 100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统 kmol/hr 反应在恒压及等温条件下进行， /hr。 总压为0.1013 MPa，温度为750 总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃，如果反应器出 口物流中摩尔比率CH 口物流中摩尔比率CH4 : H2O : CO2 : H2等于1 : 2 : 3 : 等于1 的产量是多少？ 4时，CO2和H2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？ 荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元 素平衡？ 素平衡？
1、平衡反应器（Equilibrium 平衡反应器（
平衡常数法求解产物组成
Reactor） Reactor）
2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor） Reactor） 吉布斯反应器（
最小自由焓法求解产物组成
17
REquil —平衡反应器
性质：根据化学反应方程式进行反应， 根据化学反应方程式进行反应， 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 并同时达到相平衡。 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 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， 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。 的结果。
Equilibrium Reactor — 示例
CH4 + H2O ↔CO + 3H2
CO + H2O ↔CO2 + H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，流 量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件 量为100 kmol/hr。 下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 下进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为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H2的产 量是多少？反应热负荷是多少？ 量是多少？反应热负荷是多少？
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深入讨论：
分析示例中反应温度在300℃范围变 分析示例中反应温度在300-1000 ℃范围变 300 化时对反应器出口物流CH 化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响 。 将示例中的反应温度设为1000 ℃， 将示例中的反应温度设为1000 ℃，分别分 析反应(1)和反应(2) (1)和反应(2)的平衡温差在 200 析反应(1)和反应(2)的平衡温差在 –200 ℃范围变化时对反应器出口物流 范围变化时对反应器出口物流CH 0 ℃范围变化时对反应器出口物流CH4质量 分率和CO/CO 摩尔比的影响。 分率和CO/CO2摩尔比的影响。
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深入讨论：
若在示例的原料气中加入 25 kmol/hr 氮气 ，其余条件不变，计算结果会发生什么变 化？ 以示例的结果为基础，在Ryied模块的产率 设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计 算，结果如何？
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（二）热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算反应结果， 根据热力学平衡条件计算反应结果， 不考虑动力学可行性。 不考虑动力学可行性。
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进料流股的温度为16℃ 压力为1.9 atm，进料组成如下表所示： 进料流股的温度为16℃，压力为1.9 atm，进料组成如下表所示： 16 组分 正丁烷（ 正丁烷（n-Butane） ） 1-丁烯（1-Butene） 丁烯（ 丁烯 ） 丁烯（ 顺-2-丁烯（Cis-2-Butene） 丁烯 ） 丁烯（ 反-2-丁烯（Trans-2-Butane） 丁烯 ） 异丁烯（ 异丁烯（Isobutene） ） 流量（ 流量（kg/hr） ） 35000 10000 4500 6800 1450
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化学平衡常数
∆G = −RT ln K
吉布斯自由能的变化
Θ
(标准状态下）
d ln K ∆H = dT RT
范特霍夫方程
Θ R 2
（其它温度下）
21
REquil 由Gibbs 自由能计算平衡常数。 你能够通过下列之一限制平衡： （1）任何反应的摩尔程度 （2）化学平衡接近温度对任何反应
接近温度
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对单相系统， 对单相系统 ， 规定 T 和 P下的总吉布斯能由下式 给出: 给出:
G = ∑Ni Gi
i=1
C
−
G 式中 Ni 和 i 分别是平衡混合物中组分 i 的摩 尔数和偏摩尔吉布斯能。 尔数和偏摩尔吉布斯能 。 组分包括进料组分及 可能由化学反应产生的组分。 可能由化学反应产生的组分 。 在受原子衡算约 最小化。 束的条件下， 束的条件下 ， 总吉布斯能对 Ni 最小化 。 这种方 法容易推广到多相系统。 法容易推广到多相系统。
T=Treaction - ∆T T=TReaction+∆T
(吸热反应） (放热反应）
如果你规定接近温度ΔT ，则REquil 估计在T+ΔT时的化学 平衡常数。这里的 T 是反应温度（规定的或计算的）。
22
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REquil — 例5.3
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 （1）
熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型 以及它们在过程模拟中的应用； 以及它们在过程模拟中的应用； 了解特定的反应过程的特点， 了解特定的反应过程的特点，选择相适应 的反应器类型或反应器网络， 的反应器类型或反应器网络，保证所需产 品组分足够的产率和选择性。 品组分足够的产率和选择性。
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（一）生产能力类反应器
25
RGibbs—吉布斯反应器 RGibbs
性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最 性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最 Gibbs 小值的原则， 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。 分布。 用途：已知（或未知）化学反应式，不 已知（ 已知 或未知）化学反应式， 知道反应历程和动力学可行性， 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。 衡结果。
Rstoic — 化学计量反应器
性质：按照化学反应方程式中的计量关 按照化学反应方程式中的计量关 系进行反应， 系进行反应，有并行反应和串联 反应两种方式， 反应两种方式，分别指定每一反 应的转化率或产量。 应的转化率或产量。 用途：已知化学反应方程式和每一反应 已知化学反应方程式和每一反应 的转化率，不知化学动力学关系。 的转化率，不知化学动力学关系。
热力学模型选择RK-Soave。 热力学模型选择RK-Soave。 RK 反应器操作条件：温度为400 400℃ 压力为1.9 atm。 反应器操作条件：温度为400℃，压力为1.9 atm。 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、 请采用RStoic模型确定反应物料的组成、由1-丁烯转化为异 RStoic模型确定反应物料的组成 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。 丁烯的反应选择性以及各个反应的反应热。