ASPEN Plus培训教程 第十一讲 反应器单元的仿真设计(二)
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CAPD基础
第十一讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元的仿真设计
(二)
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
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）
化学动力学类反应器
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：
Reactions—动力学参数（2）
Reactions — 动力学参数 (3)
浓度基准([Ci] basis)有以下几种：
• • • • • • 摩尔浓度 (Molarity) , kmol/m3 质量摩尔浓度 (Molality) , mol/kg water 分压 (Partial pressure) , Pa 质量浓度 (Mass Concentration) , kg/m3 摩尔分率 (Mole fraction) , — 质量分率 (Mass fraction) , —
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定 3、化学反应 4、压力
(Specifications) (Reactions) (Pressure)
2、反应器构型 (Configuration)
RPlug — 模型设定
设定反应器类型，共有五种类型：
RPlug —— 平推流反应器
性质：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。
RPlug — 平推流反应器 (2)
RPlug —— 连接 (1)
RPlug — 模型设定
(6)
RPlug —— 反应器构型
反应器构型表单中需要输入的项目有： • 单管或多管反应器(Multitube reactor) • 反应管的根数(Number of tubes) • 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) • 反应物料(Process stream)有效相态 • 冷却剂(Coolant stream)有效相态
j
qj
其中： ln K l Al
Bl T
C l ln T DlT
Reactions—动力学参数
(7)
推动力表达式包括两项：Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动 力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘 积。 在推动力输入界面中，必须完整输入 这两项的全部参数，包括推动力常数表达 式 的 系 数 (Coefficients for driving force constant)。
Reactions—动力学参数
(6)
Reactions — 动力学参数 (8)
点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附 表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化 剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影 响，用下述函数式描述：
vj 吸附表达式 K i C j i j 其中： ln K i Ai Bi T
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Stirred Tank Reactor
RCSTR—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。
RCSTR — 设定方式（8）
RCSTR — 设定方式（9）
设定方式有 7 个可选项：
6、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 间和气相/凝聚相所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（10）
设定方式有 7 个可选项：
3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
Reactions —— 对象类型
创建化学反应对象时，需赋予对 象ID和选择对象类型。对于小分子反 应，常用的类型有三种： 1、LHHW 型
(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)
2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist)
Reactions —对象类型（2）
Reactions —动力学参数 (4)
LHHW型的反应速率方程：
rA
动 力 学 因 子 推 动 力 表 达 式 吸 附 表 达 式
动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：
E 1 T 1 动力学因子 k exp T0 R T T0
1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 度的温度分布
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
RCSTR— 设定方式（11）
设定方式有 7 个可选项：
7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留 时间和所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（12）
RCSTR — 设置出口物流
RCSTR 如果连接了二股
RCSTR—— 模型参数 （2）
RCSTR —— 设定方式
设定方式有 7 个可选项：
1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。 2、停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停 留时间。
RCSTR — 设定方式（2）
RCSTR — 设定方式（3）
m
C i ln T DiT
如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指 数 m = 0 即可。
Reactions — 动力学参数 (9)
RCSTR —— 示例 1
甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：
4N H 3 6H C H O (A ) (B )
C H 2 6 N 4
(C )
6 H 2O (D )
RPlug — 模型设定
(4)
RPlug — 模型设定
(5)
4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant) 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant) 采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流 （连接图 2），并在反应器类型下拉框中选择相 应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和 冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或 蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。
在计量学表单中为每一个化学反 应创建一个对象，并选择对象类型为 动力学 (Kinetic)或平衡 (Equilibrium) 型。输入反应方程式中的化学计量系 数(Coefficient)，对于幂律型反应对象， 还要输入动力学方程式中每一个浓度 因子的幂指数(Exponent)。
Reactions —计量学参数（2）
或三股出口物流，则应在 Streams 表单中设定每一股 物流的出口相态。
RCSTR — 设置出口物流 (2)
RCSTR — 选择反应
RCSTR中的化学反应通
过选用预定义的化学反应对 象来设定。
RCSTR—选择反应（2）
Reactions — 化学反应对象
用途： Βιβλιοθήκη Baidu三类动力学反应器模块
和RadFrac 模块提供反应的 计量关系、平衡关系和动 力学关系。
RPlug — 模型设定
(2)
RPlug — 模型设定
(3)
2、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。 3、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件 栏中设定传热系数(U coolant-process stream) 和冷却剂温度(Coolant temperature)。
反应速率方程式如下：
rA k C A C B
2
km ol / m s
3
式中：
2 .5 7 1 0 7 k 1420 exp RT m / km ol s
6 2
RCSTR — 示例 1
(续)
反应器容积为 5 m3 ，装填系数为 0.6，输 入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环 境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保 持 在 0.001 左 右 。 加 料 氨 水 的 浓 度 为 4.1 kmol/m3，流量为 32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液 的浓度为 6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求 35 C 下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并 分析反应温度在 20~60 C 范围里对甲醛转化率 的影响。
Reactions — 动力学参数
在动力学表单中为每一个化学反应输 入发生反应的相态、动力学参数以及浓度 基准。 幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)即 反应速率常数 k’，它与温度的关系用修正 的Arrhenius方程表示：
T k' k exp T0
n
E 1 1 T0 R T
4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的 体积分率。
RCSTR — 设定方式（6）
RCSTR — 设定方式（7）
设定方式有 7 个可选项：
5、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/凝聚相在反应 器中的停留时间。
n
Reactions —动力学参数 (5)
Reactions—动力学参数
(5)
点击右侧的Driving force按钮，即可弹 出推动力表达式输入界面。 推动力表达式(Driving force expression) 定义为：
推动力表达式 K1 C i
i pi
K2 C j
Reactions —— 反应设定
每一个化学反应对象可以包含多 个化学反应，每个反应都要设定计量 学参数和动力学参数/平衡参数。 1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium)
Reactions — 反应设定（2）
Reactions —— 计量学参数
第十一讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元的仿真设计
(二)
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
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）
化学动力学类反应器
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：
Reactions—动力学参数（2）
Reactions — 动力学参数 (3)
浓度基准([Ci] basis)有以下几种：
• • • • • • 摩尔浓度 (Molarity) , kmol/m3 质量摩尔浓度 (Molality) , mol/kg water 分压 (Partial pressure) , Pa 质量浓度 (Mass Concentration) , kg/m3 摩尔分率 (Mole fraction) , — 质量分率 (Mass fraction) , —
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定 3、化学反应 4、压力
(Specifications) (Reactions) (Pressure)
2、反应器构型 (Configuration)
RPlug — 模型设定
设定反应器类型，共有五种类型：
RPlug —— 平推流反应器
性质：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。
RPlug — 平推流反应器 (2)
RPlug —— 连接 (1)
RPlug — 模型设定
(6)
RPlug —— 反应器构型
反应器构型表单中需要输入的项目有： • 单管或多管反应器(Multitube reactor) • 反应管的根数(Number of tubes) • 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) • 反应物料(Process stream)有效相态 • 冷却剂(Coolant stream)有效相态
j
qj
其中： ln K l Al
Bl T
C l ln T DlT
Reactions—动力学参数
(7)
推动力表达式包括两项：Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动 力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘 积。 在推动力输入界面中，必须完整输入 这两项的全部参数，包括推动力常数表达 式 的 系 数 (Coefficients for driving force constant)。
Reactions—动力学参数
(6)
Reactions — 动力学参数 (8)
点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附 表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化 剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影 响，用下述函数式描述：
vj 吸附表达式 K i C j i j 其中： ln K i Ai Bi T
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Stirred Tank Reactor
RCSTR—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。
RCSTR — 设定方式（8）
RCSTR — 设定方式（9）
设定方式有 7 个可选项：
6、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 间和气相/凝聚相所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（10）
设定方式有 7 个可选项：
3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
Reactions —— 对象类型
创建化学反应对象时，需赋予对 象ID和选择对象类型。对于小分子反 应，常用的类型有三种： 1、LHHW 型
(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)
2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist)
Reactions —对象类型（2）
Reactions —动力学参数 (4)
LHHW型的反应速率方程：
rA
动 力 学 因 子 推 动 力 表 达 式 吸 附 表 达 式
动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：
E 1 T 1 动力学因子 k exp T0 R T T0
1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 度的温度分布
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
RCSTR— 设定方式（11）
设定方式有 7 个可选项：
7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留 时间和所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（12）
RCSTR — 设置出口物流
RCSTR 如果连接了二股
RCSTR—— 模型参数 （2）
RCSTR —— 设定方式
设定方式有 7 个可选项：
1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。 2、停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停 留时间。
RCSTR — 设定方式（2）
RCSTR — 设定方式（3）
m
C i ln T DiT
如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指 数 m = 0 即可。
Reactions — 动力学参数 (9)
RCSTR —— 示例 1
甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：
4N H 3 6H C H O (A ) (B )
C H 2 6 N 4
(C )
6 H 2O (D )
RPlug — 模型设定
(4)
RPlug — 模型设定
(5)
4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant) 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant) 采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流 （连接图 2），并在反应器类型下拉框中选择相 应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和 冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或 蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。
在计量学表单中为每一个化学反 应创建一个对象，并选择对象类型为 动力学 (Kinetic)或平衡 (Equilibrium) 型。输入反应方程式中的化学计量系 数(Coefficient)，对于幂律型反应对象， 还要输入动力学方程式中每一个浓度 因子的幂指数(Exponent)。
Reactions —计量学参数（2）
或三股出口物流，则应在 Streams 表单中设定每一股 物流的出口相态。
RCSTR — 设置出口物流 (2)
RCSTR — 选择反应
RCSTR中的化学反应通
过选用预定义的化学反应对 象来设定。
RCSTR—选择反应（2）
Reactions — 化学反应对象
用途： Βιβλιοθήκη Baidu三类动力学反应器模块
和RadFrac 模块提供反应的 计量关系、平衡关系和动 力学关系。
RPlug — 模型设定
(2)
RPlug — 模型设定
(3)
2、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。 3、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件 栏中设定传热系数(U coolant-process stream) 和冷却剂温度(Coolant temperature)。
反应速率方程式如下：
rA k C A C B
2
km ol / m s
3
式中：
2 .5 7 1 0 7 k 1420 exp RT m / km ol s
6 2
RCSTR — 示例 1
(续)
反应器容积为 5 m3 ，装填系数为 0.6，输 入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环 境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保 持 在 0.001 左 右 。 加 料 氨 水 的 浓 度 为 4.1 kmol/m3，流量为 32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液 的浓度为 6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求 35 C 下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并 分析反应温度在 20~60 C 范围里对甲醛转化率 的影响。
Reactions — 动力学参数
在动力学表单中为每一个化学反应输 入发生反应的相态、动力学参数以及浓度 基准。 幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)即 反应速率常数 k’，它与温度的关系用修正 的Arrhenius方程表示：
T k' k exp T0
n
E 1 1 T0 R T
4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的 体积分率。
RCSTR — 设定方式（6）
RCSTR — 设定方式（7）
设定方式有 7 个可选项：
5、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/凝聚相在反应 器中的停留时间。
n
Reactions —动力学参数 (5)
Reactions—动力学参数
(5)
点击右侧的Driving force按钮，即可弹 出推动力表达式输入界面。 推动力表达式(Driving force expression) 定义为：
推动力表达式 K1 C i
i pi
K2 C j
Reactions —— 反应设定
每一个化学反应对象可以包含多 个化学反应，每个反应都要设定计量 学参数和动力学参数/平衡参数。 1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium)
Reactions — 反应设定（2）
Reactions —— 计量学参数