Hysys模擬反應(yīng)過程

第4章Hysys模擬反應(yīng)過程反應(yīng)器單元的自由度反應(yīng)器單元的自由度方程名稱方程數(shù)物料平衡：c熱量平衡：1壓力平衡：P2=P1-P1方程數(shù)目：c+2變量名程：變量數(shù)目反應(yīng)物：c+2產(chǎn)物：c+2傳熱量1反應(yīng)壓降（狀態(tài)變量，但須估計）1反應(yīng)程度r變量數(shù)：2(c+2)+r+2自由度數(shù)：(c+2)+r+2反應(yīng)器單元的自由度指定進(jìn)料c+2個自由度反應(yīng)器自由度：r+2r–化學(xué)反應(yīng)的數(shù)目2–多種組合：壓降、熱負(fù)荷

壓降、出口溫度等

化學(xué)反應(yīng)涉及多相（例如氣相、液相、反應(yīng)固體和固體催化劑）、各種幾何形狀（例如攪拌釜、管流、匯聚和發(fā)散噴嘴、螺旋流和膜傳遞），以及各種動量、熱量和質(zhì)量傳遞區(qū)域（例如粘性流、湍流、傳導(dǎo)、輻射、擴(kuò)散和分散），尤其對連續(xù)過程，化學(xué)反應(yīng)器往往需專門設(shè)計。

教學(xué)目的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；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)品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。Hysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlow反應(yīng)模塊類型1.生產(chǎn)能力類反應(yīng)器

轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(ConversionReactor)

變產(chǎn)率反應(yīng)器(YieldShiftReactor)2.平衡類反應(yīng)器平衡反應(yīng)器（EquilibriumReactor）吉布斯反應(yīng)器(GIBBSReactor，最小自由能原理)3.動力學(xué)類反應(yīng)器 連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)

平推流反應(yīng)器（PlugFlowReactor—PFR）(一)生產(chǎn)能力類反應(yīng)器由用戶指定生產(chǎn)能力，不考慮熱力學(xué)可能性和動力學(xué)可行性ConversionReactor

（轉(zhuǎn)化反應(yīng)器）

性質(zhì)：按照化學(xué)反應(yīng)方程式中計量關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，指定某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 用途：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。Yieldshiftreactor(變產(chǎn)率反應(yīng)器)

性質(zhì)：根據(jù)每一種產(chǎn)物與輸入物流間的產(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)物間的相對產(chǎn)率，不知化學(xué)計量關(guān)系1.ConversionReactorHysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlowConversionReactor——轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器按照化學(xué)反應(yīng)方程式中的計量關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，指定某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率已知化學(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)動力學(xué)關(guān)系。Conversion%(x%=C0+C1*T+C2*T2)ConversionReactor——化學(xué)反應(yīng)

定義進(jìn)行的每一個化學(xué)反應(yīng)的編號、化學(xué)計量關(guān)系、反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率。定義Hysys反應(yīng)集（ReactionSet)定義Hysys反應(yīng)集（ReactionSet)定義Hysys反應(yīng)集（ReactionSet)ConversionReactor—連接非絕熱反應(yīng)必須給定熱流名稱ConversionReactor—參數(shù)ConversionReactor--反應(yīng)選擇在化學(xué)反應(yīng)規(guī)定中定義的化學(xué)反應(yīng)ConversionReactor--反應(yīng)選擇在化學(xué)反應(yīng)規(guī)定中定義的化學(xué)反應(yīng)ConversionReactor

模擬要點選流體包定義ReactionSet確定反應(yīng)順序（并發(fā)或串聯(lián)）給出每個反應(yīng)中Base組分轉(zhuǎn)化率ConversionReactor—示例1甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)： 原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為14，流量為100kmol/hr。 若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013MPa，溫度為750℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處CH4轉(zhuǎn)化率為73%時，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？步驟：定義組分、流體包、反應(yīng)，定義原料，定義反應(yīng)集設(shè)計流程，設(shè)定反應(yīng)溫度（產(chǎn)物），看結(jié)果ConversionReactor

—

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0.1013MPa，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，反應(yīng)器出口溫度是多少？ConversionReactor

—

示例3

在（1）中增加甲烷部分氧化反應(yīng)：

2CH4+3O2--2CO+4H2O

并在原料中增加15kmol/h的氧氣。若上述兩個反應(yīng)的CH4轉(zhuǎn)化率均為43%時，反應(yīng)器出口組分流量是多少？如果將上述兩個反應(yīng)串聯(lián)進(jìn)行，結(jié)果又是多少？2.YieldShiftReactorHysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlowYieldShiftReactor——變產(chǎn)率反應(yīng)器

適用于沒有模型或模型過于復(fù)雜的反應(yīng)根據(jù)每一種產(chǎn)物與輸入物流間的產(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)系在變產(chǎn)率反應(yīng)器中有兩種方法設(shè)定反應(yīng)：

產(chǎn)率或者轉(zhuǎn)化率（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，不考慮動力學(xué)可行性。

1、平衡反應(yīng)器

EquilibriumReactor (已知反應(yīng)計量方程) 2、吉布斯反應(yīng)器

GibbsReactor

（無需寫出反應(yīng)方程，但須定義產(chǎn)物組分）3.EquilibriumReactorHysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlowEquilibriumReactor

—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，不考慮動力學(xué)可行性，計算同時達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡的結(jié)果。EquilibriumReactor—模型參數(shù)1、化學(xué)反應(yīng)集(Reactionset)2、熱狀態(tài)(Thermalspecification)3、操作單元反應(yīng)(Unitreactiondefinitions)4、反應(yīng)程度(Extentofreaction)5、壓力(Pressure)6、反應(yīng)器數(shù)據(jù)(Reactordata)7、熱力學(xué)模型(Thermodynamics)定義反應(yīng)集定義反應(yīng)集EquilibriumReactor

—平衡反應(yīng)器化學(xué)平衡常數(shù)lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2+……

在UnitEqulibriumData中輸入的平衡常數(shù)將取代在ReactionData-ReactionEquilibriumData中輸入的平衡常數(shù)規(guī)定了反應(yīng)程度后，平衡常數(shù)根據(jù)下列溫度計算反應(yīng)程度的兩種規(guī)定方法：TemperatureapproachT=Treaction-ΔT(吸熱反應(yīng))T=Treaction+ΔT(放熱反應(yīng))FractionalapproachApproach=A+B*T+C*T2ActualConversion=Approach*EquilibriumConversionEquilibriumReactor

模擬要點選流體包定義ReactionSet確定反應(yīng)順序（并發(fā)或串聯(lián)）給出每個反應(yīng)中Base組分轉(zhuǎn)化率

Equilibrium計算步驟定義反應(yīng)集ReactionSet定義反應(yīng)（選擇Equilibrium）輸入反應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)在Flowsheet→reactionpackage下建立當(dāng)前反應(yīng)集(Currentreactionset)建立equilibrium反應(yīng)器單元，選擇進(jìn)料物流，給定產(chǎn)物和熱量流名稱在equilibrium中Reaction選項卡中選擇ReactionSet給定出口物流溫度，所有自由度均滿足，開始計算EquilibriumReactor—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14，流量為100kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013MPa，溫度為750℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？

EquilibriumReactor—示例（2）

分析示例（1）中反應(yīng)溫度在300~1000℃范圍變化時對反應(yīng)器出口物流CH4質(zhì)量分率的影響。提示：由Set單元設(shè)定出口溫度與進(jìn)料相同由tools→Databook→CaseStudy

設(shè)定變化節(jié)點

CaseStudy的用法4.GibbsReactor—吉布斯反應(yīng)器Hysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlowGibbsReactor—吉布斯反應(yīng)器性質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)的Gibbs自由能趨于最小值的原則，計算同時達(dá)到化學(xué)平衡和相平衡時的系統(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。minimizationofGibbsfreeenergyofallcomponents

對單相系統(tǒng)，規(guī)定T和P下的總吉布斯能由下式給出:

式中Ni和分別是平衡混合物中組分i的摩爾數(shù)和偏摩爾吉布斯能。組分包括進(jìn)料組分及可能由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分。在受原子衡算約束的條件下，總吉布斯能對Ni最小化。這種方法容易推廣到多相系統(tǒng)。GibbsReactor—

模型參數(shù)1、化學(xué)反應(yīng)(Reactionset)2、熱狀態(tài)(Thermalspecification)3、操作單元反應(yīng)(Unitreactiondefinitions)4、反應(yīng)程度(Extentofreaction)5、壓力(Pressure)6、反應(yīng)器數(shù)據(jù)(Reactordata)7、熱力學(xué)模型(Thermodynamics)操作單元反應(yīng)(Unitreactiondefinitions)

選擇化學(xué)反應(yīng)規(guī)定反應(yīng)器操作相態(tài)(V,L,V-L,V-L-L)進(jìn)出口物流的規(guī)定：1、可以有任意數(shù)量的進(jìn)料物流股，進(jìn)口壓力為多股物流中的最低壓力值；

2、最多可有四股出料物流股，每股的相態(tài)可以指定；GibbsReactor——

限制平衡有兩種選擇：1、設(shè)定整個系統(tǒng)的趨近平衡溫度；2、指定各個化學(xué)反應(yīng)趨近平衡的溫度，需要知道化學(xué)反應(yīng)方程式。Gibbs計算步驟選組分選流體包建立Gibbs反應(yīng)器單元，選擇進(jìn)料物流，給定產(chǎn)物和熱量流名稱給定出口物流溫度，所有自由度均滿足，開始計算GibbsReactor—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14，流量為100kmol/hr。若反應(yīng)在恒壓及等溫條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013MPa，溫度為750℃，當(dāng)反應(yīng)器出口處達(dá)到平衡時，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反應(yīng)熱負(fù)荷是多少？與EquilibriumReactor

的結(jié)果進(jìn)行比較。

GibbsReactor—練習(xí)（1）若在示例(1)中的原料氣中加入25kmol/hr的氮氣，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CH4和NH3的質(zhì)量分率。如果氮為惰性組份，結(jié)果有什么變化？

Gibbs反應(yīng)器的評價優(yōu)點：避免了寫出化學(xué)計量方程的必要性（只需要規(guī)定可能的產(chǎn)物）容易構(gòu)造多相和同時存在相平衡的計算問題缺點：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)。（三）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)計的初期進(jìn)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)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(jìn)行反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計。1、全混釜反應(yīng)器

ContinuousStirredTankReactor2、平推流反應(yīng)器

PlugFlowReactor3、間歇釜反應(yīng)器

BatchReactor

（Hysys所有反應(yīng)模塊均可處理動態(tài)過程）根據(jù)化學(xué)動力學(xué)計算反應(yīng)結(jié)果1.CSTR—全混釜反應(yīng)器CSTR—全混釜反應(yīng)器最簡單的動力學(xué)反應(yīng)器模型是CSTR（連續(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各流體微元在反應(yīng)器內(nèi)具有不同的停留時間CSTR—全混釜反應(yīng)器性質(zhì)：釜內(nèi)達(dá)到理想混合。可模擬單、兩、三相的體系，并可處理固體?？赏瑫r處理動力學(xué)控制和平衡控制兩類反應(yīng)。用途：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)器體積和反應(yīng)時間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。CSTR—

連接Hysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlowCSTR—

模型參數(shù)反應(yīng)器類型(Reactortype)反應(yīng)序列(Reactionset)熱狀態(tài)(Thermalconditions)熱力學(xué)模型(Thermodynamics)反應(yīng)器體積(ReactorVolume)壓力(Pressure)1)反應(yīng)器類型(Reactortype)：Continuousstirredtank選擇已定義好的化學(xué)反應(yīng)2)反應(yīng)集(Reactionset)3)熱狀態(tài)

相關(guān)物流的溫度(Combinedfeedtemperature)固定溫度(Fixedtemperature)熱負(fù)荷(Heatduty)Reactions—動力學(xué)參數(shù)在動力學(xué)表單中為每一個化學(xué)反應(yīng)輸入反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。冪律型：反應(yīng)動力學(xué)因子即反應(yīng)速率常數(shù)k’，它與溫度的關(guān)系用Arrhenius方程表示：CSTR－設(shè)計方程物料衡算方程能量衡算方程進(jìn)料條件POH2O溫度，F(xiàn)7575壓力1.1atm16.16Psia流量，lbmol/h150組成：

POH2OPGmol%100Lb/hr0110000

丙二醇（1,3-dihydroxypropane,PG）由環(huán)氧丙烷（propyleneoxide，PO）與過量水在絕熱和接近環(huán)境條件以少量可溶的硫酸作為均相催化劑的液相水解反應(yīng)生產(chǎn)

C3H6O+H2O→C3H8O2r=1.7x1013e?32400/RTCPO

已知反應(yīng)器體積280ft3，液位85%，進(jìn)料條件如下表：請計算等溫反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物工況,Uniquac方程CSTReactor—例題（1）(Unitfield)CSTR計算步驟改單位：field定義反應(yīng)集ReactionSet定義反應(yīng)（選擇kinetic）基于反應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)，Hysys對于ForwardOrder及ReverseOrder提供缺省值。本例中，水是過量的，所以從動力學(xué)來說，僅對環(huán)氧丙烷來說是一級的。把H2O的ForwardOrder改為0，從而指明水是過量的。建立混合器單元，分別輸入反應(yīng)物PO和Water條件建立CSTR反應(yīng)器單元，選擇進(jìn)料物流，給定產(chǎn)物和熱量流名稱，設(shè)定反應(yīng)器體積和液體含量在CSTR中Reaction選項卡中選擇ReactionSet給定出口物流溫度，所有自由度均滿足，開始計算CSTR計算要點H2O過量，正反應(yīng)級數(shù)填0反應(yīng)相態(tài)：RxnPhase:CombinedLiquid速率單位：mol/體積.小時2.PlugflowReactor

—平推流反應(yīng)器PlugflowReactor—平推流反應(yīng)器在PFR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，但不存在徑向組成或濃度梯度。而且，徑向的質(zhì)量和熱量傳遞可忽略PFR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PlugflowReactor—平推流反應(yīng)器性質(zhì)：反應(yīng)器內(nèi)完全沒有返混。可模擬單、兩、三相的體系。只能處理動力學(xué)控制反應(yīng)?？赡M換熱夾套。用途：已知化學(xué)反應(yīng)式和動力學(xué)方程，計算所能達(dá)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)荷。PlugflowReactor—

連接

Hysys反應(yīng)模塊CSTRPlugFlowPlugflowReactor—

模型參數(shù)反應(yīng)序列(Reactionset)熱狀態(tài)(Thermalspecification)熱力學(xué)模型(Thermodynamics)反應(yīng)器構(gòu)型(Reactordata)壓力(Pressure)熱狀態(tài)(Thermalspecification)指定溫度的反應(yīng)器(Reactorwithspecifiedtemperature)，有5種方式設(shè)定操作溫度：1)進(jìn)料溫度下的恒溫(Combinedfeedtemperature)2)指定反應(yīng)器溫度(Fixedtemperature)3)指定熱負(fù)荷(Fixedheatduty)4)溫度分布(TemperatureProfile)，指定沿反應(yīng)器長度的溫度分布5)外部傳熱1、指定是并流還是逆流2、指定是加熱還是冷卻3、設(shè)定傳熱系數(shù)4、設(shè)定反應(yīng)器出口溫度5、設(shè)定傳熱物