第2讲-反应器的模拟

输入反应转化率
Conversion Reactor — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应 为：
CH4 + 2H2O ↔ CO2 + 4H2
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下进行，系统总 压为0.1013 MPa，温度为750 ℃，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？
Conversion Reactor — 模型参数
1、化学反应 (Reaction set) 2、热状态 (Thermal specification) 3、操作单元反应(Unit reaction definitions) 4、反应程度 (Extent of reaction) 4、压力 (Pressure) 5、反应器数据 (Reactor data) 6、选择热力学模型 (Thermodynamics)
Temperature approach
T=TReaction-ΔT (吸热反应) T=TReaction＋ΔT (放热反应) TReaction - 指定的反应温度 T - 计算平衡常数的温度
反应程度或可规定为： Approach=A+B·T+C·T2 Actual Conversion = Approach * Equilibrium Conversion
(一)生产能力类反应器
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
转化反应器 Conversion Reactor
Conversion Reactor — 转化反应器
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，不知化学动力学关 系。
Conversion Reactor —示例（2）
反应和原料同示例（1），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？
（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，不考虑动力学可行性。
操作单元反应 (Unit reaction definitions)
选择化学反应 规定反应器操作相态(V,L,V-L,V-L-L)
独立反应数= 化学物质数-原子数
化学平衡常数
ΔGΘ = −RT ln K (标准状态下）
d ln K
=
ΔH
Θ R
dT RT 2
（其它温度下）
一般提供下列表达式： ¾ lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2………
Equilibrium Reactor — 模型参数
1、化学反应 (Reaction set) 2、热状态 (Thermal specification) 3、操作单元反应(Unit reaction definitions) 4、反应程度 (Extent of reaction) 5、压力 (Pressure) 6、反应器数据 (Reactor data) 7、热力学模型 (Thermodynamics)
1. 生成能力类反应器
转化率反应器
2. 平衡类反应器
平衡反应器 吉布斯反应器
3. 动力学类反应器
全混流反应器 平推流反应器 间歇式反应器
本讲目的
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；
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，保证所需产 品组分足够的产率和选择性。
Conversion Reactor — 反应设定 选择在化学反应规定中定义的化学反应
Conversion Reactor — 反应器热状态
设定反应热的计算类 型：
1) 指定反应器温升 2) 指定反应器温度 3) 指定反应器热负荷
Conversion Reactor — 压力
1) 指定反应器出口压力 2) 指定反应器压力降
若假定温度对反应热影响不大，则： lnK=A+B/T
在Unit Equllibrium Data 中输入的平衡常数将取 代在Reaction Data-Reaction Equillibrium Data中 输入的平衡常数
规定了反应程度后，平衡常数根据下列温度计算
Extent of Reaction
1、平衡反应器（Equilibrium Reactor）
平衡常数法求解产物组成
2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor）
最小自由焓法求解产物组成
Equilibrium Reactor —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。
百度文库
Equilibrium Reactor — 示例（2）
分析示例（1）中反应温度在 300‾1000 ℃范围变化时对反应 器出口物流CH4 质量分率的影响。
Equilibrium Reactor — 练习（1）
将示例(1)中的反应温度设为1000 ℃，分别分析反应(1)和反应(2)的平衡 温差在 –200 ‾ 0 ℃范围变化时对反 应器出口物流CH4 质量分率和 CO/CO2摩尔比的影响。
《ProII与化工过程模拟》
第2讲 反应器的模拟
化工过程合成方法
反应器
分离与再循环系统 换热网络 公用工程
Onion Model－“洋葱”模型
¾ 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
¾ 为保证目的产品组分的产率和选择性， 必须确定适宜的反应器类型和反应器网 络。
ProII 中反应器的分类
Equilibrium Reactor — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应 为：
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2
CO + H2O ↔ CO2 + H2
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 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，CO2和H2的 产量是多少？反应热负荷是多少？