CAPD基础第十一讲 反应器单元的仿真设计(二)
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ASPENPlus培训教程之反应器单元的仿真设计(PPT 61张)
p i i i j
q j j
B l 其 中 ：l n K A C n T D T l l ll l T
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)。
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 —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定fications) (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：
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：
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)
q j j
B l 其 中 ：l n K A C n T D T l l ll l T
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)。
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 —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定fications) (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：
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：
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)
第7讲 反应器单元的仿真设计(二)解读
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
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）
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)。
化工设计软件 第七讲
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：
n
exp
E R
1 T
1 T0
Reactions—动力学参数（2）
Reactions — 动力学参数 (3)
第讲 反应器单元仿真设计一
第讲反应器单元仿真设计1. 背景反应器单元是化工过程中一项十分重要的设备。
为了保证其安全性和效率，设计师需要对其进行仿真分析。
反应器仿真分析是指使用计算机软件对反应器单元内部的物质、能量、动量传递过程进行模拟和计算，从而得到反应器的各种性能参数和工艺条件，比如反应器的温度、压力、物质流量等，以及反应器内部物质及能量传递的特性。
反应器单元的仿真设计是一项较为复杂的工作，需要用到化工工程、材料工程、物理学、数学等多个领域中的理论知识，同时还需要运用专业的仿真软件进行分析和计算。
2. 反应器单元模型在进行反应器单元的仿真设计之前，需要先建立反应器的模型。
反应器单元的模型，一般分为三个部分：输入部分、反应部分和输出部分。
输入部分主要是指反应物料的投入和反应所需的物理条件，如温度、压力等；反应部分主要是指反应过程的物理化学模型；输出部分就是对反应器单元进行模拟分析后得到的反应物料和条件的结果。
反应器单元的模型一般可以按照以下步骤来建立：1.确定反应物2.确定反应模型及反应机理3.确定物理模型及物理机理4.建立数学方程组5.数值计算针对不同的反应器单元，建立的模型有差异。
例如，对于流态床反应器，其模型通常分为两种类型：物料流动模型和催化反应模型；而对于管式反应器，其模型则通常包括质量守恒、能量守恒和动量守恒三个方程。
3. 反应器单元仿真软件反应器单元的仿真如何实现呢？这时就需要用到专业的反应器单元仿真软件。
反应器单元仿真软件可以对反应器单元模型进行分析和计算，并且能够模拟不同条件下的物质流动、反应过程等，帮助工程师确定最优工艺条件，提高反应器单元的效率和安全性。
目前较为常用的反应器单元仿真软件有：Aspen Plus、Hysys、Pro/II等。
这些软件可以对不同类型的反应器单元进行模拟，如批式反应器、型反应器、流态床反应器等。
4.反应器单元的仿真设计是化工工程中重要的组成部分，具有十分重要的意义。
反应器单元的仿真需要建立反应器的模型，并运用专业的仿真软件进行分析和计算。
CAPD基础第十一讲 反应器单元的仿真设计(二)
整理课件
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。
整理课件
RCSTR— 设定方式（10）
整理课件
RCSTR— 设定方式（11）
整理课件
Reactions—动力学参数（2）
整理课件
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) , —
整理课件
RCSTR — 设置出口物流 (2)
整理课件
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。
整理课件
RCSTR—选择反应（2）
整理课件
Reactions — 化学反应对象
用途：为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。
气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
整理课件
RCSTR — 设定方式（4）
整理课件
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
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。
整理课件
RCSTR— 设定方式（10）
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RCSTR— 设定方式（11）
整理课件
Reactions—动力学参数（2）
整理课件
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) , —
整理课件
RCSTR — 设置出口物流 (2)
整理课件
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。
整理课件
RCSTR—选择反应（2）
整理课件
Reactions — 化学反应对象
用途：为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。
气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
整理课件
RCSTR — 设定方式（4）
整理课件
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
CAPD基础第六讲 热过程单元的仿真设计(二)
详细计算采用后两种方法
HeatX—— U-膜系数法
膜系数法根据换热器的几何结构 和流动情况分别计算热流体侧和冷流 体侧的传热膜系数(Film coefficients)， 根据管壁材料和厚度计算传导热阻， 再 结 合 给 定 的 污 垢 热 阻 因 子 (Fouling factor)计算出总传热系数U。
HeatX——管嘴〔2〕
HeatX——结果查看
HeatX 最 重 要 的 是 热 参 数 结 果 (Thermal
results)，其下包括五张表单：
• 概况
Summary
• 衡算
Balance
• 换热器详情 Exchanger details
• 压降/速度 Pre drop/velocities
HeatX——压降/速度〔2〕
HeatX —— 分区
分区表单给出了换热器内根据冷、热 流体相态对传热面积分区计算的情况，包 括各区域的热流体温度、冷流体温度、对 数平均温差、传热系数、热负荷和传热面 积信息。我们可根据此信息分析换热方案 是否合理以及改进设计方案的方向。
HeatX —— 分区〔2〕
HeatX——圆缺挡板〔2〕
圆缺挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes 挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter) 管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing 挡板间距 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
HeatX—— U-膜系数法 (2)
HeatX—— U-膜系数法
膜系数法根据换热器的几何结构 和流动情况分别计算热流体侧和冷流 体侧的传热膜系数(Film coefficients)， 根据管壁材料和厚度计算传导热阻， 再 结 合 给 定 的 污 垢 热 阻 因 子 (Fouling factor)计算出总传热系数U。
HeatX——管嘴〔2〕
HeatX——结果查看
HeatX 最 重 要 的 是 热 参 数 结 果 (Thermal
results)，其下包括五张表单：
• 概况
Summary
• 衡算
Balance
• 换热器详情 Exchanger details
• 压降/速度 Pre drop/velocities
HeatX——压降/速度〔2〕
HeatX —— 分区
分区表单给出了换热器内根据冷、热 流体相态对传热面积分区计算的情况，包 括各区域的热流体温度、冷流体温度、对 数平均温差、传热系数、热负荷和传热面 积信息。我们可根据此信息分析换热方案 是否合理以及改进设计方案的方向。
HeatX —— 分区〔2〕
HeatX——圆缺挡板〔2〕
圆缺挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes 挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter) 管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing 挡板间距 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
HeatX—— U-膜系数法 (2)
反应器单元的仿真设计一
RStoic —— 模型设定（2）
RStoic —— 化学反应
定义 RStoic 中进行的每一个化学 反应的编号、化学计量关系、产物生 成速率或反应物转化率。并指明计算 多个反应的转化率时是否按照串联反 应方式计算。
RStoic —— 化学反应（2）
RStoic —— 化学反应（3）
RStoic —— 反应热
RYield——产率反应器（2）
RYield —— 连接
RYield —— 模型参数
RYield 模块有六组模型参数：
1、模型设定 2、产率 3、闪蒸选项 4、粒度分布 5、组分属性 6、组分映射 (Specifications) (Yield) (Flash Options) (PSD) (Comp. Attr.) (Comp. Mapping)
RStoic —— 选择性（2）
RStoic — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
CH 4 2H2O CO2 4H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14， 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？
RYield —— 模型设定（2）
RYield —— 产率
产率设置有四个选项：
1、组分产率 (Component yields) 2、组分映射 (Component mapping) 3、石油馏分表征 (Petro characterization) 4、用户子程序 (User subroutine)
RStoic —— 反应热
RStoic —— 选择性
反应器仿真操作实例
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• (二)正常操作规程 • 1.正常工况下工艺参数 • (1)正常运行时，反应器温度TI1467 A为44. 0℃，压力PI1424 A控制
在2.523 Mpa。 • (2) FIC1425设自动，设定值56 186. 8 kg/h, FIC1427投串级控制。 • (3) PIC1426压力控制在0.4MPa, EV一429温度TI1426控制在38. 0℃。 • (4) TIC1466设自动，设定值38. 0 ℃ 。 • (5) ER一424 A出口氢气浓度低于50 PPm，乙炔浓度低于200 PPm。 • (6) EV429液位LI1426为50%。 • 2. ER一424 A与ER一424B间切换 • 3.ER一424 B的操作 • ER -424B的操作与ER -424A的操作相同。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 四、仿真界面
• 仿真界面如图7一1、图7一2所示。
• 五、思考题
• 1.结合本单元说明比例控制的工作原理。 • 2.为什么是根据乙炔的进料量调节配氢气的量，而不是根据氢气的量
调节乙炔的进料量？ • 3.根据本单元实际情况，说明反应器冷却剂的自循环原理。 • 4.观察在EH一429冷却器的冷却水中断后会造成的影响。 • 5.结合本单元实际，理解“连锁”和“连锁复位”的概念。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 2.紧急停车 • (1)与停车操作规程相同。 • (2)一也可按紧急停车按钮。 • (四)连锁说明 • 该单元有一连锁。 • 1.连锁源 • (1)现场手动紧急停车(紧急停车按钮)。 • (2)反应器温度高报('PL1467A/B > 66℃)。 • 2.连锁动作 • (1)关闭氢气进料，FI C 1427设手动。 • (2)关闭加热器EH一424蒸汽进料，TIC1466设手动。
任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• (二)正常操作规程 • 1.正常工况下工艺参数 • (1)正常运行时，反应器温度TI1467 A为44. 0℃，压力PI1424 A控制
在2.523 Mpa。 • (2) FIC1425设自动，设定值56 186. 8 kg/h, FIC1427投串级控制。 • (3) PIC1426压力控制在0.4MPa, EV一429温度TI1426控制在38. 0℃。 • (4) TIC1466设自动，设定值38. 0 ℃ 。 • (5) ER一424 A出口氢气浓度低于50 PPm，乙炔浓度低于200 PPm。 • (6) EV429液位LI1426为50%。 • 2. ER一424 A与ER一424B间切换 • 3.ER一424 B的操作 • ER -424B的操作与ER -424A的操作相同。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 四、仿真界面
• 仿真界面如图7一1、图7一2所示。
• 五、思考题
• 1.结合本单元说明比例控制的工作原理。 • 2.为什么是根据乙炔的进料量调节配氢气的量，而不是根据氢气的量
调节乙炔的进料量？ • 3.根据本单元实际情况，说明反应器冷却剂的自循环原理。 • 4.观察在EH一429冷却器的冷却水中断后会造成的影响。 • 5.结合本单元实际，理解“连锁”和“连锁复位”的概念。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 2.紧急停车 • (1)与停车操作规程相同。 • (2)一也可按紧急停车按钮。 • (四)连锁说明 • 该单元有一连锁。 • 1.连锁源 • (1)现场手动紧急停车(紧急停车按钮)。 • (2)反应器温度高报('PL1467A/B > 66℃)。 • 2.连锁动作 • (1)关闭氢气进料，FI C 1427设手动。 • (2)关闭加热器EH一424蒸汽进料，TIC1466设手动。
“CAPD”培训班练习(一至十二)
23 113
3000 rpm 效率（%）
63
转速 2500 rpm
流量（m3/hr） 扬程（m） 效率（%）
20 76 64.5
转速
流量（m3/hr） 16.5
扬程（m）
51
2000 rpm 效率（%）
62
41.5
60
84
107
96
69
68
71
67
35
50
70
72
64
44
69
69
66
28
41
58
48.5
参考资料： 1. 《化工工艺设计手册》下册-2003 版 2. GB151-1999_管壳式换热器
CAPD培训班
练习七
分离单元的仿真设计（一）
1、F=1000 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=100 ℃含乙醇70 %w、水30 %w 的物流与F=500 kg/hr 、 P= 0.6 MPa、T=70 ℃含正己烷60%、乙醇40 %w 的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P= 0.11 MPa 。轻液相在汽相中的液沫夹带率为5%，重液相在汽相中的液沫夹带率为1%。 求：离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。
弯头（Elbow）和 2 只闸阀（Gate Valve）；出水管道长 55 m，需要安装 6 个
90弯头，2 只闸阀；离心泵入口的安装高度比清水贮槽液面低 0.5 m。
为降低能耗，采用变频电动机改变离心泵转速来调节输送流量，转速
变化范围为 1500~2800 rpm。离心泵的特性曲线如下表：
转速
流量（m3/hr） 扬程（m）
2、用水（P= 0.15 MPa、T=25 ℃） 作萃取剂从含乙醇40 %w、正己烷60%w 的混合液（F=1000 kg/hr、P= 0.15 MPa、T=25 ℃）中回收乙醇，要求乙醇的回收率达到98%。 求：1）需要的萃取剂用量，以及萃取相和萃余相的组成； 2）在25~50 ℃范围里，萃取釜的操作温度对萃取剂用量的影响。
CAPD基础第八讲 分离单元的仿真设计(二)
>0, 实际 模型参数〔2 〕
DSTWU — 模型参数〔3 〕
DSTWU模型有四组模型设定参数：
2、关键组分回收率 ( Key component recoveries )
〔1〕轻关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关
RadFrac—配置 (操作设定) (2)
操作设定从十个选项中选择：
6、上升蒸汽比〔Boilup Ratio) 7、上升蒸汽/进料比〔Boilup to Feed Ratio) 8、馏出物/进料比〔Distillate to Feed Ratio) 9、冷凝器热负荷〔Condenser Duty) 10、再沸器热负荷〔Reboiler Duty)
RadFrac 模块用于精确计算精馏 塔、吸收塔〔板式塔或填料塔〕的别 离能力和设备参数。
RadFrac 精密别离模块 〔2〕
RadFrac—— 连接
RadFrac 模块的连接图如下：
RadFrac——模型设定
RadFrac 模型具有以下设定表单： 1、配置〔Configuration〕 2、流股〔Streams〕 3、压强〔Pressure〕 4、冷凝器〔Condenser〕 5、再沸器〔Reboiler〕 6、三相〔3-Phase〕
RadFrac — 结果简汇〔 2〕
RadFrac — 分布剖形
分布剖形给出塔内各塔板上 的温度、压力、热负荷、相平衡 参数，以及每一相态的流量、组 成和物性。据此可确定最正确加 料板和侧线出料板位置。
RadFrac — 分布剖形〔 2〕
RadFrac — 分布剖形〔 3〕
RadFrac — 应用例如 (1)
condition 〕
RadFrac —— 再沸器
DSTWU — 模型参数〔3 〕
DSTWU模型有四组模型设定参数：
2、关键组分回收率 ( Key component recoveries )
〔1〕轻关键组分在馏出物中的回收率 馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关
RadFrac—配置 (操作设定) (2)
操作设定从十个选项中选择：
6、上升蒸汽比〔Boilup Ratio) 7、上升蒸汽/进料比〔Boilup to Feed Ratio) 8、馏出物/进料比〔Distillate to Feed Ratio) 9、冷凝器热负荷〔Condenser Duty) 10、再沸器热负荷〔Reboiler Duty)
RadFrac 模块用于精确计算精馏 塔、吸收塔〔板式塔或填料塔〕的别 离能力和设备参数。
RadFrac 精密别离模块 〔2〕
RadFrac—— 连接
RadFrac 模块的连接图如下：
RadFrac——模型设定
RadFrac 模型具有以下设定表单： 1、配置〔Configuration〕 2、流股〔Streams〕 3、压强〔Pressure〕 4、冷凝器〔Condenser〕 5、再沸器〔Reboiler〕 6、三相〔3-Phase〕
RadFrac — 结果简汇〔 2〕
RadFrac — 分布剖形
分布剖形给出塔内各塔板上 的温度、压力、热负荷、相平衡 参数，以及每一相态的流量、组 成和物性。据此可确定最正确加 料板和侧线出料板位置。
RadFrac — 分布剖形〔 2〕
RadFrac — 分布剖形〔 3〕
RadFrac — 应用例如 (1)
condition 〕
RadFrac —— 再沸器
反应器单元的仿真设计
软件应用
根据仿真设计的需求，利用所选软件进行数值计算和结果分析。
结果验证
将仿真结果与实验数据进行对比，验证仿真设计的准确性和可靠性。
04 反应器单元的仿真结果分 析
仿真结果的解读
温度分布
通过仿真结果，我们可以观察到反应器内的 温度分布情况，了解温度变化趋势和最高温 度出现的位置。
压力分布
压力分布的仿真结果有助于我们了解反应器内的压 力状况，分析压力波动和最大压力点。
内构件优化
在内反应器中设置适当的内构件，如挡板、搅拌器等， 可以改善流体流动和传热性能。
控制策略优化
温度控制
通过调节加热/冷却装置的功率，控制反应温度 在设定范围内，以获得最佳的反应效果。
压力控制
压力波动会影响产品质量和设备安全。应采用 适当的控制策略，稳定压力波动。
液位控制
对于有液位要求的反应，应保持液位稳定，防止因液位波动引起的反应异常。
02
03
误差控制
通过误差控制，我们可以采取措施减 小误差对仿真结果的影响，如改进模 型、优化计算方法等。
05 反应器单元的优化设计
参数优化
反应温度优化
通过调整反应温度，可以改变反应速率和产物分布。在一定范围内，提高温度可以增加反应速率 ，但过高的温度可能导致副反应增加和催化剂失活。
压力优化
压力对反应速率和产物收率有一定影响。在高压下，反应速率可能会增加，但同时也会增加设备 成本和操作风险。
仿真设计可以快速地对多种设计方案 进行评估和比较，缩短设计周期，提 高设计效率。
促进科研创新
仿真设计为科研人员提供了一种新的 研究手段，有助于推动化工领域的科 技进步。
02 反应器单元的基本原理
反应器单元的定义与分类
根据仿真设计的需求，利用所选软件进行数值计算和结果分析。
结果验证
将仿真结果与实验数据进行对比，验证仿真设计的准确性和可靠性。
04 反应器单元的仿真结果分 析
仿真结果的解读
温度分布
通过仿真结果，我们可以观察到反应器内的 温度分布情况，了解温度变化趋势和最高温 度出现的位置。
压力分布
压力分布的仿真结果有助于我们了解反应器内的压 力状况，分析压力波动和最大压力点。
内构件优化
在内反应器中设置适当的内构件，如挡板、搅拌器等， 可以改善流体流动和传热性能。
控制策略优化
温度控制
通过调节加热/冷却装置的功率，控制反应温度 在设定范围内，以获得最佳的反应效果。
压力控制
压力波动会影响产品质量和设备安全。应采用 适当的控制策略，稳定压力波动。
液位控制
对于有液位要求的反应，应保持液位稳定，防止因液位波动引起的反应异常。
02
03
误差控制
通过误差控制，我们可以采取措施减 小误差对仿真结果的影响，如改进模 型、优化计算方法等。
05 反应器单元的优化设计
参数优化
反应温度优化
通过调整反应温度，可以改变反应速率和产物分布。在一定范围内，提高温度可以增加反应速率 ，但过高的温度可能导致副反应增加和催化剂失活。
压力优化
压力对反应速率和产物收率有一定影响。在高压下，反应速率可能会增加，但同时也会增加设备 成本和操作风险。
仿真设计可以快速地对多种设计方案 进行评估和比较，缩短设计周期，提 高设计效率。
促进科研创新
仿真设计为科研人员提供了一种新的 研究手段，有助于推动化工领域的科 技进步。
02 反应器单元的基本原理
反应器单元的定义与分类
ASPEN Plus培训教程 第十讲 反应器单元的仿真设计(一)
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压力； (2) 温度/热负荷
2、计算选项 (Calculation Options)
仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡/ 是否限制化学平衡
3、相态 (Phases)
输入存在的相态数。
RGibbs —— 模型设定
RGibbs —— 产物
RStoic —— 模型设定
设定操作条件和有效相态：
1、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力 (Pressure) (2) 温度/热负荷 (Temperature/Heat duty) 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
1、平衡反应器（REquil）
Equilibrium Reactor
2、吉布斯反应器（RGibbs）
Gibbs Reactor
REquil——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。
RStoic —— 模型设定（2）
RStoic —— 化学反应
定义RStoic中进行的每一个化学 反应的编号、化学计量关系、产物生 成速率或反应物转化率。并指明计算 多个反应的转化率时是否按照串联反 应方式计算。
RStoic —— 化学反应（2）
RStoic —— 化学反应（3）
RStoic —— 反应热
RYield —— 组分映射（2）
RYield — 示例（1）
Aspen 课程教案 - 第十二讲 反应器单元的仿真设计(三)
1、指定反应器压强 (Specify Reactor Pressure)
2、指定压强剖形 (Specify Reactor Pressure Profile)
3、计算反应器压强 (Calculate Reactor Pressure)
11
RBatch —— 模型设定 (6)
12
RBatch — 模型设定 (7)
20
RBatch —— 操作时间 (2)
2、剖形结果时间 (Profile Result Time)
设定仿真计算的时间参数,包括最大计算 时间(Maximum calculation time)、输出剖形 结果的时刻之间的时间区间(Time interval between profile points),以及最大时刻点数 (Maximum number of profile points) .
35
Constraints — 约束 (2)
36
Optimization — 示例 1
甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯,发生的主 要化学反应及其反应动力学表达式如下(分压的单位为Pa )：
1)
2CH4 k1 C2H4 2H2
rCH4 k1PCH4 (kmol/m3 s)
k1
2.35 107
CAPD基础 第十二讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元的仿真设计
(三)
1
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：
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor
2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor
2、指定压强剖形 (Specify Reactor Pressure Profile)
3、计算反应器压强 (Calculate Reactor Pressure)
11
RBatch —— 模型设定 (6)
12
RBatch — 模型设定 (7)
20
RBatch —— 操作时间 (2)
2、剖形结果时间 (Profile Result Time)
设定仿真计算的时间参数,包括最大计算 时间(Maximum calculation time)、输出剖形 结果的时刻之间的时间区间(Time interval between profile points),以及最大时刻点数 (Maximum number of profile points) .
35
Constraints — 约束 (2)
36
Optimization — 示例 1
甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯,发生的主 要化学反应及其反应动力学表达式如下(分压的单位为Pa )：
1)
2CH4 k1 C2H4 2H2
rCH4 k1PCH4 (kmol/m3 s)
k1
2.35 107
CAPD基础 第十二讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元的仿真设计
(三)
1
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：
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor
2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor
CAPD基础 分离单元的仿真设计(二)
RadFrac—配置 (有效相态)（2）
RadFrac—配置（收敛方法）
收敛方法从六个选项中选择一种： 1、标准方法（Standard） 2、石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling） 3、强非理想液相（Strongly Non-ideal Liquid） 4、共沸体系（Azeotropic） 5、深度冷冻体系（Cryogenic） 6、用户定义（Custom）
（ Specify reboiler outlet condition）
3、同时指定流量和出口条件
（Specify both flow and outlet condition ）
RadFrac —— 再沸器
RadFrac — 结果查看
RadFrac 的计算结果从三部分查看： 1、结果简汇（Results summary） 2、分布剖形（Profiles） 3、流股结果（Stream results）
( Calculate HETP )
DSTWU — 计算选项（2）
Hale Waihona Puke DSTWU — 计算选项（3）
“生成回流比——理论板数关系表”对选取合 理的理论板数很有参考价值。在实际回流比对理 论板数栏目中输入我们想分析的理论板数的最小 值(Initial number of stages)、最大值(Final number of stages)和增量值(Increment size for number of stages)。计算完成后的结果中会包括回流比剖形 (Reflux ratio profile), 据此可以绘制回流比——理 论板数曲线。
>0, 实际回流比； <-1, 绝对值=实际回流比/最小回流比
DSTWU — 模型参数（2）
Aspen反应器单元模块仿真设计教学PPT
ASPEN软件在化工流程模拟中的应用
ASPEN软件广泛应用于化工流程模拟，包括石油化工、煤 化工、精细化工等领域。
通过ASPEN软件，用户可以建立详细的流程模型，模拟实 际生产过程中各种因素对工艺流程的影响，从而优化工艺 参数、提高产品质量和降低能耗。
ASPEN软件还提供了丰富的物性数据库和热力学模型，能 够准确模拟不同组分的流体性质和相平衡，为工艺流程的 优化提供了有力支持。
04 ASPEN反应器单元模块 仿真设计实践
ASPEN软件操作基础
安装与启动
01
介绍如何下载和安装ASPEN软件，以及如何启动软件并进入主
界面。
菜单栏和工具栏
02
解释软件中的菜单栏和工具栏，以及它们的功能和使用方法。
文件操作
03Leabharlann 介绍如何新建、打开、保存和关闭ASPEN文件。
反应器单元模块的建立与参数设置
反应器类型选择
根据需要选择合适的反应器类型，如平推流反应器、 循环流反应器等。
参数设置
根据所选反应器类型，设置相应的参数，如温度、压 力、流量等。
输入和输出流股
定义输入和输出流股，包括物料组成、流量和温度等 参数。
反应器单元模块仿真的结果分析
仿真结果展示
将仿真结果以图表、曲线等形式展示出来，以 便进行结果分析。
01
02
03
化学动力学原理
研究反应速率和反应机理， 为反应器设计和优化提供 理论依据。
热力学原理
研究反应过程中的能量变 化和平衡状态，为反应器 设计和优化提供理论依据。
流体力学原理
研究流体在反应器内的流 动特性和传热传质规律， 为反应器设计和优化提供 理论依据。
反应器设计流程
CAPD基础 流体输送单元的仿真设计(二)
Pipeline—管线参数2（3）
完成后的表单如下：
Pipeline —— 结果查看
从数据浏览器的Pipeline对象下选择Results查看结果
Pipeline —— 结果查看 (2)
Pipeline的Profiles给出了每个节点处的结果
Pipeline — 示例 1
流量为 100 m3/h，温度为 50 C，压强为 5 bar的水流经 1084 的管线。管线首先向东 延伸 5 m，再向北 5 m，再向东 10 m，再向南 5 m，然后升高 10 m，再向东 5 m。管内壁粗 糙度为 0.05 mm。 求：管线出口处的压强是多少？
CAPD基础 第四讲
Simulation Design for Fluid Transportation
流体输送单元 的仿真设计 （二）
流体输送模型的Leabharlann 类在ASPEN Plus中流体输送单元归属压力改变 器 (Pressure Changers)类别，共六种模型：
1. 泵
Pump
2. 压缩机
Compr
3. 多级压缩机 MCompr
4. 阀门
Valve
5. 管道
Pipe
6. 管线
Pipeline
Valve —— 阀门模型
阀门模型用来调节流体流经管路时的压降。
Valve —— 连接
Valve —— 计算类型
阀门模型有三种应用方式（计算类型） 1. 绝热闪蒸到指定出口压力
Adiabatic flash for specified outlet pressure 2. 对指定出口压力计算阀门流量系数
步骤7：在变化(Vary)表单中输入调节变量(Manupulated variable) 的 类 型 、 名 称 和 具 体 变 量 (variable), 并 指定体调节上、下限(Upper/Lower limits)。
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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)
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26
Reactions —对象类型（2）
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27
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)
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28
Reactions — 反应设定（2）
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29
Reactions —— 计量学参数
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)ppt
19
RCSTR— 设定方式（12）
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20
RCSTR — 设置出口物流
RCSTR如果连接了二股 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。
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21
RCSTR — 设置出口物流 (2)
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22
CAPD基础 第十一讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元的仿真设计
(二)
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1
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）
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2
化学动力学类反应器
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12
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
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。
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13
RCSTR — 设定方式（6）
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14
RCSTR — 设定方式（7）
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：
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
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k'kT T0nexpR ET 1T 10
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32
Reactions—动力学参数（2）
3
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。
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4
RCSTR —— 图标
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5
RCSTR —— 连接
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。
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17
RCSTR— 设定方式（10）
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18
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
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7
RCSTR—— 模型参数 （2）
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8
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。
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9
RCSTR — 设定方式（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。
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23
RCSTR—选择反应（2）
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24
Reactions — 化学反应对象
用途：为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。
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25
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30
Reactions —计量学参数（2）
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31
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：
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6
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)
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10
RCSTR — 设定方式（3）
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。
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11
RCSTR — 设定方式（4）
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。
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15
RCSTR — 设定方式（8）
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16
RCSTR — 设定方式（9）
设定方式有 7 个可选项：