ASPENPLUS反應(yīng)器的模擬與優(yōu)化

1、第五章第五章 ASPENASPEN PLUS PLUS反應(yīng)器反應(yīng)器的模擬與優(yōu)化的模擬與優(yōu)化目錄1.生成能力類反應(yīng)器生成能力類反應(yīng)器化學(xué)計量反應(yīng)器化學(xué)計量反應(yīng)器 (RStoic)產(chǎn)率反應(yīng)器產(chǎn)率反應(yīng)器 (RYield)2.平衡類反應(yīng)器平衡類反應(yīng)器平衡反應(yīng)器平衡反應(yīng)器 (REquil)吉布斯反應(yīng)器吉布斯反應(yīng)器 (RGibbs)3.動力學(xué)類反應(yīng)器動力學(xué)類反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器 (RCSTR)平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器 (RPlug)間歇式反應(yīng)器間歇式反應(yīng)器 (Rbatch)23n化學(xué)反應(yīng)器是整個化工工藝流程的核心，化學(xué)反應(yīng)器是整個化工工藝流程的核心，是實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的必要工序是實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化

2、的必要工序4n為保證目的產(chǎn)品組分的產(chǎn)率和選擇性，為保證目的產(chǎn)品組分的產(chǎn)率和選擇性，必須選擇適宜的反應(yīng)器類型和反應(yīng)器網(wǎng)必須選擇適宜的反應(yīng)器類型和反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。絡(luò)。5PFRCSTRCSTRPFRPFRCSTRCSTRPFR本講目的熟悉模擬軟件中可獲得的反應(yīng)器模型類型熟悉模擬軟件中可獲得的反應(yīng)器模型類型以及它們在過程模擬中的應(yīng)用；以及它們在過程模擬中的應(yīng)用；了解特定的反應(yīng)過程的特點，選擇相適應(yīng)了解特定的反應(yīng)過程的特點，選擇相適應(yīng)的反應(yīng)器類型或反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，保證所需產(chǎn)的反應(yīng)器類型或反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，保證所需產(chǎn)品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。6（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器Rst

3、oic Rstoic 化學(xué)計量反應(yīng)化學(xué)計量反應(yīng)器器性質(zhì)：按照化學(xué)反應(yīng)方程式中的計量關(guān)按照化學(xué)反應(yīng)方程式中的計量關(guān)系進行反應(yīng)，有并行反應(yīng)和串聯(lián)系進行反應(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。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)已知化學(xué)反應(yīng)方程式和每一反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，不知化學(xué)動力學(xué)關(guān)系。的轉(zhuǎn)化率，不知化學(xué)動力學(xué)關(guān)系。7RstoicRstoic 化學(xué)計量反應(yīng)器化學(xué)計量反應(yīng)器 模型參數(shù)8RStoic 選擇性9idealrealAPAPAPS/,P代表選定組分代表選定組分 (selected) P的生成摩爾數(shù)；的生成摩爾數(shù)；A代表參照組

4、分代表參照組分 (reference) A的消耗摩爾數(shù)；的消耗摩爾數(shù)；real 代表反應(yīng)器內(nèi)的實際情況；代表反應(yīng)器內(nèi)的實際情況；ideal 代表只有代表只有AP一個反應(yīng)發(fā)生時的情況。一個反應(yīng)發(fā)生時的情況。RStoic計算例計算例5.1序號序號反應(yīng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率11-Butene Isobutylene0.3624 (1-Butene) Propylene(丙二醇丙二醇) + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene(辛烯辛烯)0.043Cis-2-Butene Isobutylene0.3644 (Cis-2-Butene) Propylene + 2-Methyl-2-Bu

5、tene + 1-Octene0.045Trans-2-Butene Isobutylene0.3664 (Trans-2-Butene) Propylene + 2-Methyl-2-Butene + 1-Octene0.04丁烯異構(gòu)化反應(yīng)模型的建立，混合丁烯包含丁烯異構(gòu)化反應(yīng)模型的建立，混合丁烯包含1-1-丁烯、正丁烷、丁烯、正丁烷、順順-2-2-丁烯、反丁烯、反-2-2-丁烯和異丁烯，發(fā)生的反應(yīng)如下所示：丁烯和異丁烯，發(fā)生的反應(yīng)如下所示： 10進料流股的溫度為進料流股的溫度為1616，壓力為，壓力為1.9 atm1.9 atm，進料組成如下表所示：，進料組成如下表所示：組分組分流量（流量

6、（kg/hr）正丁烷正丁烷（n-Butane）350001-丁烯丁烯（1-Butene）10000順順-2-丁烯丁烯（Cis-2-Butene）4500反反-2-丁烯丁烯（Trans-2-Butane）6800異丁烯異丁烯（Isobutene）1450熱力學(xué)模型選擇熱力學(xué)模型選擇RK-SoaveRK-Soave。反應(yīng)器操作條件：反應(yīng)器操作條件：溫度為溫度為400400，壓力為，壓力為1.9 atm1.9 atm。請采用請采用RStoicRStoic模型確定反應(yīng)物料的組成、由模型確定反應(yīng)物料的組成、由1-1-丁烯轉(zhuǎn)化為異丁烯轉(zhuǎn)化為異丁烯的反應(yīng)選擇性以及各個反應(yīng)的反應(yīng)熱。丁烯的反應(yīng)選擇性以及各個反

7、應(yīng)的反應(yīng)熱。 11（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器（一）生產(chǎn)能力類反應(yīng)器RyieldRyield產(chǎn)率反應(yīng)器產(chǎn)率反應(yīng)器12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)物間的相對產(chǎn)率，不知化學(xué)計量關(guān)系。產(chǎn)率指的是某種生成物的實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值！RYield 模塊有五組模型參數(shù)：1、模型設(shè)定 (Specifications)2、產(chǎn)率 (Yield)3、閃蒸選項 (Flash Options)4、粒度分布 (PSD)5、組分屬性 (Component Attr.)13RYield 產(chǎn)率14RYield 示例5.21522244HCOO2HC

8、H深入討論：n若在示例的原料氣中加入 25 kmol/hr 氮氣，其余條件不變，計算結(jié)果會發(fā)生什么變化？n以示例的結(jié)果為基礎(chǔ)，在Ryied模塊的產(chǎn)率設(shè)置項中將氮氣設(shè)置為惰性組份，重新計算，結(jié)果如何？16（二）熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器（二）熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器根據(jù)熱力學(xué)平衡條件計算反應(yīng)結(jié)果，根據(jù)熱力學(xué)平衡條件計算反應(yīng)結(jié)果，不考慮動力學(xué)可行性。不考慮動力學(xué)可行性。17REquilREquil 平衡反應(yīng)器平衡反應(yīng)器性質(zhì)：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進行反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進行反應(yīng)，按照化學(xué)平衡關(guān)系式達到化學(xué)平按照化學(xué)平衡關(guān)系式達到化學(xué)平衡，并同時達到相平衡。衡，并同時達到相平衡。用途：已知反應(yīng)歷程和平衡反應(yīng)的反應(yīng)

9、已知反應(yīng)歷程和平衡反應(yīng)的反應(yīng)方程式，不考慮動力學(xué)可行性，方程式，不考慮動力學(xué)可行性，計算同時達到化學(xué)平衡和相平衡計算同時達到化學(xué)平衡和相平衡的結(jié)果。的結(jié)果。18REquil REquil 模型參數(shù)模型參數(shù)模塊有四組模型參數(shù)：模塊有四組模型參數(shù)：19：1、操作條件、操作條件 (Operation Conditions) (1) 壓力；壓力； (2) 溫度溫度/蒸汽分率蒸汽分率/熱負(fù)荷熱負(fù)荷 2、有效相態(tài)、有效相態(tài) (Valid Phases) 汽汽 / 液液 / 固固 / 汽汽-液液 / 汽汽-液液-液液 / 液液-游離水游離水 / 汽汽-液液-游離水游離水20KRTGln2lnRTHdTKdR

10、(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）（其它溫度下）化學(xué)平衡常數(shù)化學(xué)平衡常數(shù)21吉布斯自由能的變化范特霍夫方程 REquil 由Gibbs 自由能計算平衡常數(shù)。你能夠通過下列之一限制平衡：（1）任何反應(yīng)的摩爾程度（2）化學(xué)平衡接近溫度對任何反應(yīng)T=Treaction - T (吸熱反應(yīng)）T=TReaction+T (放熱反應(yīng)）接近溫度如果你規(guī)定接近溫度T ，則REquil 估計在T+T時的化學(xué)平衡常數(shù)。這里的 T 是反應(yīng)溫度（規(guī)定的或計算的）。2223Equilibrium ReactorEquilibrium Reactor 示例示例（1 1）甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為

11、：2243HCOOHCH原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 1 4 4，流，流量為量為100 kmol/hr100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為下進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa0.1013 MPa，溫度為，溫度為750 750 ，當(dāng)反應(yīng)器出口處達到平衡時，當(dāng)反應(yīng)器出口處達到平衡時，COCO2 2和和H H2 2的產(chǎn)的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？ 222HCOOHCO24深入討論：n分析示例中反應(yīng)溫度在分析示例中反應(yīng)溫度在300-1000 300-1000 范圍變范圍變化時對反應(yīng)器

12、出口物流化時對反應(yīng)器出口物流CHCH4 4質(zhì)量分率的影響質(zhì)量分率的影響。n將示例中的反應(yīng)溫度設(shè)為將示例中的反應(yīng)溫度設(shè)為1000 1000 ，分別分，分別分析反應(yīng)析反應(yīng)(1)(1)和反應(yīng)和反應(yīng)(2)(2)的平衡溫差在的平衡溫差在 200 - 200 - 0 0 范圍變化時對反應(yīng)器出口物流范圍變化時對反應(yīng)器出口物流CHCH4 4質(zhì)量質(zhì)量分率和分率和CO/COCO/CO2 2摩爾比的影響。摩爾比的影響。25 RGibbsRGibbs吉布斯反應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)的根據(jù)系統(tǒng)的GibbsGibbs自由能趨于最自由能趨于最小值的原則，計算同時達到化學(xué)小值的原則，計算同時達到化學(xué)平衡和相平衡時的系統(tǒng)組成和

13、相平衡和相平衡時的系統(tǒng)組成和相分布。分布。用途：已知（或未知）化學(xué)反應(yīng)式，不已知（或未知）化學(xué)反應(yīng)式，不知道反應(yīng)歷程和動力學(xué)可行性，知道反應(yīng)歷程和動力學(xué)可行性，估算可能達到的化學(xué)平衡和相平估算可能達到的化學(xué)平衡和相平衡結(jié)果。衡結(jié)果。26n對單相系統(tǒng)，規(guī)定對單相系統(tǒng)，規(guī)定T T和和P P下的總吉布斯能由下式下的總吉布斯能由下式給出給出: : 式中式中N Ni i和和 分別是平衡混合物中組分分別是平衡混合物中組分i i的摩的摩爾數(shù)和偏摩爾吉布斯能。組分包括進料組分及爾數(shù)和偏摩爾吉布斯能。組分包括進料組分及可能由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分?？赡苡苫瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分。在受原子衡算約在受原子衡算約束的條件下，束

14、的條件下，總吉布斯能對總吉布斯能對N Ni i最小化。這種方最小化。這種方法容易推廣到多相系統(tǒng)。法容易推廣到多相系統(tǒng)。CiiiGNG127iG28 在恒溫恒壓且無非體積功的條件下，自發(fā)過程總是向著吉布斯函數(shù)減少的方向進行，直至系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)不再改變(dG0)，或者減少到該條件下的最小值時，系統(tǒng)便處于平衡態(tài)。29有三種選擇：有三種選擇：30313233有兩種選擇：有兩種選擇：34353637有兩種選擇：有兩種選擇：38392、指定各個化學(xué)反應(yīng)平衡溫差、指定各個化學(xué)反應(yīng)平衡溫差40 RGibbsRGibbs 例5.4甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：22

15、43HCOOHCH原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 4，流，流量為量為100 kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 MPa，溫度為，溫度為750 ，當(dāng)反應(yīng)器出口處達到平衡時，當(dāng)反應(yīng)器出口處達到平衡時，COCO2 2和和H H2 2的產(chǎn)量的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與ReRe的結(jié)的結(jié)果進行比較。果進行比較。 222HCOOHCO41深入討論：n若在示例中的原料氣中加入若在示例中的原料氣中加入25 25 kmolkmol/hr /hr 的氮氣，并考慮氮與氫結(jié)合生的

16、氮氣，并考慮氮與氫結(jié)合生成氨的副反應(yīng)，求反應(yīng)器出口物流中成氨的副反應(yīng)，求反應(yīng)器出口物流中CHCH4 4和和NHNH3 3的質(zhì)量分率。如果氮為惰性的質(zhì)量分率。如果氮為惰性組份，結(jié)果有什么變化？組份，結(jié)果有什么變化？42Gibbs反應(yīng)器的評價優(yōu)點：優(yōu)點：1)可避免寫出化學(xué)計量方程的必要性（只可避免寫出化學(xué)計量方程的必要性（只需要規(guī)定可能的產(chǎn)物）需要規(guī)定可能的產(chǎn)物）2)容易構(gòu)造多相和同時存在相平衡的計算容易構(gòu)造多相和同時存在相平衡的計算問題問題缺點：缺點： 可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果，因為它們隱含可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果，因為它們隱含動力學(xué)上不可能的反應(yīng)。動力學(xué)上不可能的反應(yīng)。43（三）化學(xué)動力學(xué)類反應(yīng)器（三

17、）化學(xué)動力學(xué)類反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率和平衡反應(yīng)器模型在過程設(shè)計的轉(zhuǎn)化率和平衡反應(yīng)器模型在過程設(shè)計的初期進行物料和能量衡算研究時是有用初期進行物料和能量衡算研究時是有用的。但是，最終反應(yīng)器系統(tǒng)必須確定結(jié)的。但是，最終反應(yīng)器系統(tǒng)必須確定結(jié)構(gòu)和大小，在實驗室研究獲得化學(xué)動力構(gòu)和大小，在實驗室研究獲得化學(xué)動力學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上即可進行反應(yīng)器學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上即可進行反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計。結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計。441 1、全混釜反應(yīng)器、全混釜反應(yīng)器 Continuous Stirred Tank ReactorContinuous Stirred Tank Reactor2 2、平推流反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器Plu

18、g Flow ReactorPlug Flow Reactor3 3、間歇釜反應(yīng)器、間歇釜反應(yīng)器Batch ReactorBatch Reactor根據(jù)化學(xué)動力學(xué)計算反應(yīng)結(jié)果根據(jù)化學(xué)動力學(xué)計算反應(yīng)結(jié)果45CSTR 全混釜反應(yīng)器n最簡單的動力學(xué)反應(yīng)器模型是最簡單的動力學(xué)反應(yīng)器模型是CSTRCSTR（連（連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器），在該模型中反應(yīng)續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器），在該模型中反應(yīng)器內(nèi)物料假定為理想混合。于是，假定器內(nèi)物料假定為理想混合。于是，假定整個反應(yīng)器體積的組成和溫度是均勻的，整個反應(yīng)器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度。并等于反應(yīng)器出口物流的組成和溫度。46CSTReact

19、or全混釜反應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：釜內(nèi)達到理想混合?？赡M單相、釜內(nèi)達到理想混合?？赡M單相、兩相的體系?？赏瑫r處理動力學(xué)兩相的體系?？赏瑫r處理動力學(xué)控制和平衡控制兩類反應(yīng)?？刂坪推胶饪刂苾深惙磻?yīng)。用途：用途：已知化學(xué)反應(yīng)式、動力學(xué)方程和已知化學(xué)反應(yīng)式、動力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計算所需的反應(yīng)器體平衡關(guān)系，計算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時間，以及反應(yīng)器熱負(fù)積和反應(yīng)時間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。荷。CSTR 全混釜反應(yīng)器47RCSTR模塊有兩組模型參數(shù)：模塊有兩組模型參數(shù)：1、操作條件操作條件 (Operation Conditions) 1) 壓力壓力 (Pressure) 2) 溫度溫度/熱負(fù)荷熱負(fù)荷(Temp

20、erature/Heat Duty)2、持料狀態(tài)持料狀態(tài) (Holdup) 1) 有效相態(tài)有效相態(tài) (Valid Phases) 2) 設(shè)定方式設(shè)定方式 (Specification Type)48CSTR設(shè)計方程物料衡算方程物料衡算方程能量衡算方程能量衡算方程 00nARAAvCTkVCCq 00TTUACTkVHTTcqcRnARPv49 0011expTTREnTTk動力學(xué)因子：5051525354555657585960CSTR 例5.5甲醛和氨按照以下化學(xué)反應(yīng)生成烏洛托品：甲醛和氨按照以下化學(xué)反應(yīng)生成烏洛托品：反應(yīng)速率方程式如右：反應(yīng)速率方程式如右：式中：式中：(D)(C)(B)(A

21、)O6HNCHHCHO64NH24623hmkmolCkCrBAA32/hkmolmRTkmolJk267/)/(1057. 2exp142061例5.5 62RPlug 平推流反應(yīng)器在在PFRPFR反應(yīng)器中如活塞流動的流體的組成反應(yīng)器中如活塞流動的流體的組成沿反應(yīng)器長度逐漸變化，但不存在徑向沿反應(yīng)器長度逐漸變化，但不存在徑向組成或濃度梯度。而且，徑向的質(zhì)量和組成或濃度梯度。而且，徑向的質(zhì)量和熱量傳遞可忽略熱量傳遞可忽略PFRPFR內(nèi)的流體完全不混合，所有流體微元內(nèi)的流體完全不混合，所有流體微元在反應(yīng)器中具有相同的停留時間在反應(yīng)器中具有相同的停留時間 63RPlug 平推流反應(yīng)器性質(zhì)：性質(zhì)：反

22、應(yīng)器內(nèi)完全沒有返混。可模擬反應(yīng)器內(nèi)完全沒有返混?？赡M換熱夾套。換熱夾套。用途：用途：已知化學(xué)反應(yīng)式和動力學(xué)方程，已知化學(xué)反應(yīng)式和動力學(xué)方程，計算所能達到的轉(zhuǎn)化率，或所需計算所能達到的轉(zhuǎn)化率，或所需的反應(yīng)器體積，以及反應(yīng)器熱負(fù)的反應(yīng)器體積，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。荷。64模塊有四組模型參數(shù)：模塊有四組模型參數(shù)：651、指定溫度的反應(yīng)器、指定溫度的反應(yīng)器 (Reactor with specified temperature)，有三種方式設(shè)定操作溫度：，有三種方式設(shè)定操作溫度：1) 進料溫度下的恒溫進料溫度下的恒溫 (Constant at inlet temperature)2) 指定反應(yīng)器溫度指定反應(yīng)器溫度 (Constant at specified reactor temperature)3) 溫度剖形溫度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反應(yīng)器，指定沿反應(yīng)器