第六講 反應(yīng)器單元的仿真設(shè)計(jì)(一)

1、化工CAD基礎(chǔ) 第六講,Simulation Design of Chemical Reactors 反應(yīng)器單元 的仿真設(shè)計(jì) (一),反應(yīng)器模塊的類別,生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（2種）熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器（2種）化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器（3種）,分為三大類七種反應(yīng)器：,反應(yīng)器模塊的類別（2）,,生產(chǎn)能力類反應(yīng)器,1、化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器（RStoic） Stoichiometric

2、Reactor2、產(chǎn)率反應(yīng)器（RYield） Yield Reactor,由用戶指定生產(chǎn)能力，不考慮熱力學(xué)可能性和動(dòng)力學(xué)可行性。包含兩種反應(yīng)器。,,RStoic—化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器,,性質(zhì)：按照化學(xué)反應(yīng)方程式中的計(jì)量關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，有并行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)兩種方式，分別指定每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)量。,用途：已知化學(xué)反應(yīng)方程式和每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)量，不知化學(xué)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。,RStoic—化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器（2）,,RStoic ——

3、 連接,RStoic —— 模型參數(shù),RStoic 模塊有七組模型參數(shù)：,,1、模型設(shè)定 (Specifications)2、化學(xué)反應(yīng) (Reactions)3、燃燒 (Combustion)4、反應(yīng)熱 (Heat of Reaction)5、選擇性 (Selectivity)6、粒度分布 (PSD)7、組分屬性 (Component Attr.),R

4、Stoic —— 模型設(shè)定,設(shè)定操作條件和有效相態(tài)：,1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力 (Pressure) (2) 溫度/熱負(fù)荷 (Temperature/Heat duty)2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水,RStoic —— 模型設(shè)定（2）,,

5、RStoic —— 化學(xué)反應(yīng),定義RStoic中進(jìn)行的每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的編號(hào)、化學(xué)計(jì)量關(guān)系、產(chǎn)物生成速率或反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率。并指明計(jì)算多個(gè)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率時(shí)是否按照串聯(lián)反應(yīng)方式計(jì)算。,RStoic —— 化學(xué)反應(yīng)（2）,RStoic —— 化學(xué)反應(yīng)（3）,,RStoic ——　反應(yīng)熱,設(shè)定反應(yīng)熱的計(jì)算類型(Calculation type)和參照條件(Reference condition) ： 1、不計(jì)算反應(yīng)熱 (

6、Do not calculate heat of reaction) 2、計(jì)算反應(yīng)熱 (Calculate heat of reaction) 3、用戶指定反應(yīng)熱 (Specify heat of reaction),RStoic ——　反應(yīng)熱,,RStoic —— 選擇性,計(jì)算對(duì)于選定組分的選擇性，其定義為：,△P代表選定組分 (selected) P的生成摩爾數(shù)；△A代表參照

7、組分 (reference) A的消耗摩爾數(shù)；real 代表反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際情況；ideal 代表只有 A→P 一個(gè)反應(yīng)發(fā)生時(shí)的情況。,RStoic —— 選擇性（2）,,RStoic — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。 若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為750 ℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處CH4轉(zhuǎn)化率為

8、73%時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？,RStoic — 示例（2）,反應(yīng)和原料同示例（1），若反應(yīng)在恒壓及絕熱條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，反應(yīng)器進(jìn)口溫度為950 ℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處CH4轉(zhuǎn)化率為73%時(shí)，反應(yīng)器出口溫度是多少？,RStoic — 示例（3）,,在示例(1)中增加甲烷部分氧化反應(yīng)如下式：,并在原料氣中加入15 kmol/hr的氧氣。若上述兩個(gè)反應(yīng)中CH4轉(zhuǎn)化率均為43%時(shí)， 產(chǎn)品物流中CO

9、、 H2O、CO2 和H2的流量各是多少？如果將反應(yīng)設(shè)為串聯(lián)進(jìn)行，上述流量又各是多少？ 以上兩個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱各是多少？,RYield——產(chǎn)率反應(yīng)器,,性質(zhì)：根據(jù)每一種產(chǎn)與輸入物流間的產(chǎn)率關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，只考慮總質(zhì)量平衡，不考慮元素平衡。,用途：只知化學(xué)反應(yīng)式和各產(chǎn)物間的相對(duì)產(chǎn)率，不知化學(xué)計(jì)量關(guān)系。,RYield——產(chǎn)率反應(yīng)器（2）,,RYield —— 連接,RYield —— 模型參數(shù),RYield 模塊有六組模型參數(shù)

10、：,1、模型設(shè)定 (Specifications)2、產(chǎn)率 (Yield)3、閃蒸選項(xiàng) (Flash Options)4、粒度分布 (PSD)5、組分屬性 (Comp. Attr.)6、組分映射 (Comp. Mapping),,RYield —— 模型設(shè)定,模型設(shè)定包含操作條件設(shè)定和有效相態(tài)設(shè)定：,1、操作條件 (Operation Conditions) (

11、1) 壓強(qiáng)； (2) 溫度/熱負(fù)荷/溫度改變 2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水,RYield —— 模型設(shè)定（2）,,RYield —— 產(chǎn)率,產(chǎn)率設(shè)置有四個(gè)選項(xiàng)： 1、組分產(chǎn)率 (Component yields) 2、組分映射 (Component mapping) 3、石油餾分表征 (Pet

12、ro characterization) 4、用戶子程序 (User subroutine),RYield —— 產(chǎn)率（2）,RYield —— 組分產(chǎn)率,選擇組分產(chǎn)率選項(xiàng)時(shí)，需指定相對(duì)于每一單位質(zhì)量非惰性進(jìn)料而言，各種組分在出口物流中的相對(duì)產(chǎn)率。 還可以設(shè)定進(jìn)料中的某些組分為不轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的惰性組分(Inert Components)。,RYield —— 組分產(chǎn)率（2）,RYield —— 組分映射,選擇組分

13、映射選項(xiàng)時(shí)，需在Comp. Mapping表單中設(shè)置各種結(jié)合(Lump)反應(yīng)和分解 (De-lump)反應(yīng)所涉及的組分之間的定量關(guān)系。,RYield —— 組分映射（2）,,RYield — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為 0.1013 MPa，溫度為 750 ℃，如果反應(yīng)器出口物流中摩爾比率 CH4 ? H2

14、O : CO2 : H2 等于 1 : 2 : 3 : 4 時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？需要移走的反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？此結(jié)果是否滿足總質(zhì)量平衡？是否滿足元素平衡？,RYield — 示例（2）,若在示例（1）的原料氣中加入 25 kmol/hr 氮?dú)?，其余條件不變，計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生什么變化？,RYield — 示例（3）,以示例（2）的結(jié)果為基礎(chǔ)，在 Ryied 模塊的產(chǎn)率設(shè)置項(xiàng)中將氮?dú)庠O(shè)置為惰性組份，重新計(jì)算，結(jié)果如何？,,熱力學(xué)平衡

15、類反應(yīng)器,1、平衡反應(yīng)器（REquil） Equilibrium Reactor2、吉布斯反應(yīng)器（RGibbs） Gibbs Reactor,根據(jù)熱力學(xué)平衡條件計(jì)算體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，不考慮動(dòng)力學(xué)可行性。 該類別包含兩種反應(yīng)器。,,REquil——平衡反應(yīng)器,,性質(zhì)：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行反應(yīng)，按照化學(xué)平衡關(guān)系式達(dá)到化學(xué)平衡，并同時(shí)達(dá)到相平衡。,用途：已知反應(yīng)歷程和平衡反應(yīng)的反應(yīng)方程式，不考

16、慮動(dòng)力學(xué)可行性，計(jì)算同時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡的結(jié)果。,REquil—平衡反應(yīng)器（2）,,REquil —— 連接,REquil —— 模型參數(shù),REquil 模塊有四組模型參數(shù)：,1、模型設(shè)定 (Specifications)2、化學(xué)反應(yīng) (Reactions)3、收斂 (Convergence)4、液沫夾帶 (Entrainment),,REquil —— 模型設(shè)定,模型設(shè)定包含操作條件設(shè)定和

17、有效相態(tài)設(shè)定：,1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力； (2) 溫度/蒸汽分率/熱負(fù)荷 2、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游離水 / 汽-液-游離水,REquil —— 模型設(shè)定（2）,,REquil —— 化學(xué)反應(yīng),定義REquil中進(jìn)行的每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的編號(hào)、化學(xué)計(jì)量關(guān)系、產(chǎn)物生成比速率

18、(Extend)或趨近平衡溫度(Temperature Approach)。比速率=速率/化學(xué)計(jì)量系數(shù)趨近平衡溫度=△T意指在T+△T下計(jì)算化學(xué)反應(yīng)平衡,REquil —— 化學(xué)反應(yīng)（2）,REquil —— 化學(xué)反應(yīng)（3）,,REquil — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為7

19、50 ℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？,,REquil —— 示例（2）,分析示例（1）中反應(yīng)溫度在300~1000 ℃范圍變化時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物流CH4質(zhì)量分率的影響。,REquil — 示例（3）,將示例(1)中的反應(yīng)溫度設(shè)為1000 ℃，分別分析反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)的趨近平衡溫度在 –200 ~ 0 ℃范圍變化時(shí)對(duì)反應(yīng)器出口物流CH4質(zhì)量分率和CO/CO2摩爾比的影響。,,RGibbs—吉

20、布斯反應(yīng)器,,性質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)的Gibbs自由能趨于最小值的原則，計(jì)算同時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡時(shí)的系統(tǒng)組成和相分布。,用途：已知化學(xué)反應(yīng)式，不知道反應(yīng)歷程和動(dòng)力學(xué)可行性，估算可能達(dá)到的化學(xué)平衡和相平衡結(jié)果。,RGibbs—吉布斯反應(yīng)器 (2),,RGibbs —— 連接,,RGibbs —— 模型參數(shù),RGibbs 模塊有五組模型參數(shù)：,1、模型設(shè)定 (Specifications)2、產(chǎn)物 (Products)3、指定物流 (As

21、sign Steams) 4、惰性物 (Inerts)5、限制平衡 (Restricted Equilibrium),,RGibbs —— 模型設(shè)定,模型設(shè)定包含操作條件、計(jì)算選項(xiàng)和相態(tài)設(shè)定：,1、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力； (2) 溫度/熱負(fù)荷 2、計(jì)算選項(xiàng) (Calculation Options) 僅計(jì)算相平衡/同時(shí)計(jì)算化學(xué)平衡和相平衡/是否限制化學(xué)

22、平衡3、相態(tài) (Phases) 輸入存在的相態(tài)數(shù)。,RGibbs —— 模型設(shè)定,,RGibbs —— 產(chǎn)物,有三種選擇：,1、系統(tǒng)中的所有組分都可以是產(chǎn)物； RGibbs considers all components as products2、指定可能的產(chǎn)物組分； Identify possible products3、定義產(chǎn)物存在的相態(tài)。 Define phases

23、in which products appear,RGibbs —— 產(chǎn)物 (2),1、系統(tǒng)中的所有組分都可以是產(chǎn)物；,RGibbs —— 產(chǎn)物 (3),2、指定可能的產(chǎn)物組分,RGibbs —— 產(chǎn)物 (4),3、定義產(chǎn)物存在的相態(tài),,RGibbs —— 指定物流,有兩種選擇：,1、自動(dòng)指定出口物流相態(tài)； RGibbs assigns phases to outlet streams 2、使用關(guān)鍵組分和截尾摩爾

24、分率指定出口物流相態(tài)； Use key components & cutoff mole fraction to assigns phases to outlet streams,RGibbs —— 指定物流（2）,2、使用關(guān)鍵組分和截尾摩爾分率……,,RGibbs —— 惰性物,指定不參加化學(xué)反應(yīng)平衡的惰性組分(Inerts)及其不參加反應(yīng)的摩爾流量(Mole flow)或分率(Fraction)。,RGibb

25、s —— 惰性物 (2),,RGibbs —— 限制平衡,有兩種選擇：,1、設(shè)定整個(gè)系統(tǒng)的趨近平衡溫度 Entire system with temperature approach 2、指定各個(gè)化學(xué)反應(yīng)趨近平衡的溫度 Individual reaction,RGibbs —— 限制平衡 (2),1、設(shè)定整個(gè)系統(tǒng)的趨近平衡溫度；,RGibbs —— 限制平衡 (3),2、指定各個(gè)化學(xué)反應(yīng)趨近平衡的

26、溫度,,RGibbs — 示例（1）,甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：,原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1?4，流量為100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為750 ℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與REquil的結(jié)果進(jìn)行比較。,,RGibbs — 示例（2）,若在示例(1)中的原料氣中加入25 kmol/hr 的氮?dú)?，并考慮氮與氫結(jié)合生成