Hysys模擬反應(yīng)過(guò)程

第4章Hysys模擬反響過(guò)程反響器單元的自由度反響器單元的自由度方程名稱(chēng)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(jì)）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反響器單元的自由度指定進(jìn)料c+2個(gè)自由度反響器自由度：r+2r–化學(xué)反響的數(shù)目2–多種組合：壓降、熱負(fù)荷 壓降、出口溫度等

化學(xué)反響涉及多相〔例如氣相、液相、反響固體和固體催化劑〕、各種幾何形狀〔例如攪拌釜、管流、會(huì)聚和發(fā)散噴嘴、螺旋流和膜傳遞〕，以及各種動(dòng)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(duì)連續(xù)過(guò)程，化學(xué)反響器往往需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。教學(xué)目的熟悉模擬軟件中可獲得的反響器模型類(lèi)型以及它們?cè)谶^(guò)程模擬中的應(yīng)用；了解特定的反響過(guò)程的特點(diǎn)，選擇相適應(yīng)的反響器類(lèi)型或反響器網(wǎng)絡(luò)，保證所需產(chǎn)品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。Hysys反響模塊CSTRPlugFlow反響模塊類(lèi)型1.生產(chǎn)能力類(lèi)反響器轉(zhuǎn)化率反響器(ConversionReactor) 變產(chǎn)率反響器(YieldShiftReactor)2.平衡類(lèi)反響器平衡反響器〔EquilibriumReactor〕吉布斯反響器(GIBBSReactor，最小自由能原理)3.動(dòng)力學(xué)類(lèi)反響器 連續(xù)攪拌釜式反響器(CSTR) 平推流反響器〔PlugFlowReactor—PFR〕(一)生產(chǎn)能力類(lèi)反響器由用戶(hù)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ConversionReactor 〔轉(zhuǎn)化反響器〕 性質(zhì)：按照化學(xué)反響方程式中計(jì)量關(guān)系進(jìn)行反響，指定某一反響物的轉(zhuǎn)化率 用途：化學(xué)反響方程式和每一反響的轉(zhuǎn)化率，不知化學(xué)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。Yieldshiftreactor(變產(chǎn)率反響器) 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)行反響，只考慮總質(zhì)量平衡，不考慮元素平衡用途：只知化學(xué)反響式和各產(chǎn)物間的相對(duì)產(chǎn)率，不知化學(xué)計(jì)量關(guān)系1.ConversionReactorHysys反響模塊CSTRPlugFlowConversionReactor——轉(zhuǎn)化率反響器按照化學(xué)反響方程式中的計(jì)量關(guān)系進(jìn)行反響，指定某一反響物的轉(zhuǎn)化率化學(xué)反響方程式和每一反響的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)量，不知化學(xué)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。Conversion%(x%=C0+C1*T+C2*T2)ConversionReactor——化學(xué)反響定義進(jìn)行的每一個(gè)化學(xué)反響的編號(hào)、化學(xué)計(jì)量關(guān)系、反響物轉(zhuǎn)化率。定義Hysys反響集〔ReactionSet)定義Hysys反響集〔ReactionSet)定義Hysys反響集〔ReactionSet)ConversionReactor—連接非絕熱反應(yīng)必須給定熱流名稱(chēng)ConversionReactor—參數(shù)ConversionReactor--反響選擇在化學(xué)反響規(guī)定中定義的化學(xué)反響ConversionReactor--反響選擇在化學(xué)反響規(guī)定中定義的化學(xué)反響ConversionReactor

模擬要點(diǎn)選流體包定義ReactionSet確定反響順序〔并發(fā)或串聯(lián)〕給出每個(gè)反響中Base組分轉(zhuǎn)化率ConversionReactor—例如1甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反響： 原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為14，流量為100kmol/hr。 假設(shè)反響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)反響器出口處CH4轉(zhuǎn)化率為73%時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反響熱負(fù)荷是多少？步驟：定義組分、流體包、反響，定義原料，定義反響集設(shè)計(jì)流程，設(shè)定反響溫度〔產(chǎn)物〕，看結(jié)果ConversionReactor—例如2反響和原料同例如〔1〕，假設(shè)反響在恒壓及絕熱條件下進(jìn)行，系統(tǒng)總壓為0.1013MPa，反響器進(jìn)口溫度為950℃，當(dāng)反響器出口處CH4轉(zhuǎn)化率為73%時(shí)，反響器出口溫度是多少？ConversionReactor—例如3在〔1〕中增加甲烷局部氧化反響：2CH4+3O2--2CO+4H2O并在原料中增加15kmol/h的氧氣。假設(shè)上述兩個(gè)反響的CH4轉(zhuǎn)化率均為43%時(shí)，反響器出口組分流量是多少？如果將上述兩個(gè)反響串聯(lián)進(jìn)行，結(jié)果又是多少？2.YieldShiftReactorHysys反響模塊CSTRPlugFlowYieldShiftReactor——變產(chǎn)率反響器

適用于沒(méi)有模型或模型過(guò)于復(fù)雜的反響根據(jù)每一種產(chǎn)物與輸入物流間的產(chǎn)率關(guān)系進(jìn)行反響，只考慮總質(zhì)量平衡，不考慮元素平衡只知化學(xué)反響式和各產(chǎn)物間的相對(duì)產(chǎn)率，不知化學(xué)計(jì)量關(guān)系在變產(chǎn)率反響器中有兩種方法設(shè)定反響： 產(chǎn)率或者轉(zhuǎn)化率〔二〕熱力學(xué)平衡類(lèi)反響器 根據(jù)熱力學(xué)平衡條件計(jì)算反響結(jié)果，不考慮動(dòng)力學(xué)可行性。 1、平衡反響器 EquilibriumReactor (反響計(jì)量方程) 2、吉布斯反響器 GibbsReactor 〔無(wú)需寫(xiě)出反響方程，但須定義產(chǎn)物組分〕3.EquilibriumReactorHysys反響模塊CSTRPlugFlowEquilibriumReactor—平衡反響器性質(zhì)：根據(jù)化學(xué)反響方程式進(jìn)行反響，按照化學(xué)平衡關(guān)系式到達(dá)化學(xué)平衡，并同時(shí)到達(dá)相平衡。用途：反響歷程和平衡反響的反響方程式，不考慮動(dòng)力學(xué)可行性，計(jì)算同時(shí)到達(dá)化學(xué)平衡和相平衡的結(jié)果。EquilibriumReactor—模型參數(shù)1、化學(xué)反響集(Reactionset)2、熱狀態(tài)(Thermalspecification)3、操作單元反響(Unitreactiondefinitions)4、反響程度(Extentofreaction)5、壓力(Pressure)6、反響器數(shù)據(jù)(Reactordata)7、熱力學(xué)模型(Thermodynamics)定義反響集定義反響集EquilibriumReactor—平衡反響器化學(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)定了反響程度后，平衡常數(shù)根據(jù)以下溫度計(jì)算反響程度的兩種規(guī)定方法：TemperatureapproachT=Treaction-ΔT(吸熱反響)T=Treaction+ΔT(放熱反響)FractionalapproachApproach=A+B*T+C*T2ActualConversion=Approach*EquilibriumConversionEquilibriumReactor

模擬要點(diǎn)選流體包定義ReactionSet確定反響順序〔并發(fā)或串聯(lián)〕給出每個(gè)反響中Base組分轉(zhuǎn)化率

Equilibrium計(jì)算步驟定義反響集ReactionSet定義反響〔選擇Equilibrium〕輸入反響的化學(xué)計(jì)量系數(shù)在Flowsheet→reactionpackage下建立當(dāng)前反響集(Currentreactionset)建立equilibrium反響器單元，選擇進(jìn)料物流，給定產(chǎn)物和熱量流名稱(chēng)在equilibrium中Reaction選項(xiàng)卡中選擇ReactionSet給定出口物流溫度，所有自由度均滿(mǎn)足，開(kāi)始計(jì)算EquilibriumReactor—例如〔1〕甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反響為： 原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為14，流量為100kmol/hr。假設(shè)反響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)反響器出口處到達(dá)平衡時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反響熱負(fù)荷是多少？EquilibriumReactor—例如〔2〕 分析例如〔1〕中反響溫度在300~1000℃范圍變化時(shí)對(duì)反響器出口物流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(diǎn)CaseStudy的用法4.GibbsReactor—吉布斯反響器Hysys反響模塊CSTRPlugFlowGibbsReactor—吉布斯反響器性質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)的Gibbs自由能趨于最小值的原那么，計(jì)算同時(shí)到達(dá)化學(xué)平衡和相平衡時(shí)的系統(tǒng)組成和相分布。用途：化學(xué)反響式，不知道反響歷程和動(dòng)力學(xué)可行性，估算可能到達(dá)的化學(xué)平衡和相平衡結(jié)果。minimizationofGibbsfreeenergyofallcomponents

對(duì)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)反響產(chǎn)生的組分。在受原子衡算約束的條件下，總吉布斯能對(duì)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)反響(Reactionset)2、熱狀態(tài)(Thermalspecification)3、操作單元反響(Unitreactiondefinitions)4、反響程度(Extentofreaction)5、壓力(Pressure)6、反響器數(shù)據(jù)(Reactordata)7、熱力學(xué)模型(Thermodynamics)操作單元反響(Unitreactiondefinitions)

選擇化學(xué)反響規(guī)定反響器操作相態(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(gè)系統(tǒng)的趨近平衡溫度；2、指定各個(gè)化學(xué)反響趨近平衡的溫度，需要知道化學(xué)反響方程式。Gibbs計(jì)算步驟選組分選流體包建立Gibbs反響器單元，選擇進(jìn)料物流，給定產(chǎn)物和熱量流名稱(chēng)給定出口物流溫度，所有自由度均滿(mǎn)足，開(kāi)始計(jì)算GibbsReactor—例如〔1〕甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉(zhuǎn)化反響為：原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為14，流量為100kmol/hr。假設(shè)反響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)反響器出口處到達(dá)平衡時(shí)，CO2和H2的產(chǎn)量是多少？反響熱負(fù)荷是多少？與EquilibriumReactor的結(jié)果進(jìn)行比較。GibbsReactor—練習(xí)〔1〕假設(shè)在例如(1)中的原料氣中參加25kmol/hr的氮?dú)猓⒖紤]氮與氫結(jié)合生成氨的副反響，求反響器出口物流中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反響器的評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：防止了寫(xiě)出化學(xué)計(jì)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(shí)存在相平衡的計(jì)算問(wèn)題缺點(diǎn)：可能產(chǎn)生不正確的結(jié)果，因?yàn)樗鼈冸[含動(dòng)力學(xué)上不可能的反響?！踩郴瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)類(lèi)反響器轉(zhuǎn)化率和平衡反響器模型在過(guò)程設(shè)計(jì)的初期進(jìn)行物料和能量衡算研究時(shí)是有用的。但是，最終反響器系統(tǒng)必須確定結(jié)構(gòu)和大小，在實(shí)驗(yàn)室研究獲得化學(xué)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)的根底上即可進(jìn)行反響器結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)計(jì)。1、全混釜反響器 ContinuousStirredTankReactor2、平推流反響器 PlugFlowReactor3、間歇釜反響器 BatchReactor〔Hysys所有反響模塊均可處理動(dòng)態(tài)過(guò)程〕根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算反響結(jié)果1.CSTR—全混釜反響器CSTR—全混釜反響器最簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)反響器模型是CSTR〔連續(xù)攪拌釜式反響器〕，在該模型中反響器內(nèi)物料假定為理想混合。于是，假定整個(gè)反響器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反響器出口物流的組成和溫度各流體微元在反響器內(nèi)具有不同的停留時(shí)間CSTR—全混釜反響器性質(zhì)：釜內(nèi)到達(dá)理想混合?？赡M單、兩、三相的體系，并可處理固體?？赏瑫r(shí)處理動(dòng)力學(xué)控制和平衡控制兩類(lèi)反響。用途：化學(xué)反響式、動(dòng)力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計(jì)算所需的反響器體積和反響時(shí)間，以及反響器熱負(fù)荷。CSTR—

連接Hysys反響模塊CSTRPlugFlowCSTR—

模型參數(shù)反響器類(lèi)型(Reactortype)反響序列(Reactionset)熱狀態(tài)(Thermalconditions)熱力學(xué)模型(Thermodynamics)反響器體積(ReactorVolume)壓力(Pressure)1)反響器類(lèi)型(Reactortype)：Continuousstirredtank選擇已定義好的化學(xué)反響2)反響集(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—?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)在動(dòng)力學(xué)表單中為每一個(gè)化學(xué)反響輸入反響動(dòng)力學(xué)參數(shù)。冪律型：反響動(dòng)力學(xué)因子即反響速率常數(shù)k’，它與溫度的關(guān)系用Arrhenius方程表示：CSTR－設(shè)計(jì)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(guò)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響生產(chǎn)C3H6O+H2O→C3H8O2r=1.7x1013e?32400/RTCPO反響器體積280ft3，液位85%，進(jìn)料條件如下表：請(qǐng)計(jì)算等溫反響的反響產(chǎn)物工況,Uniquac方程CSTReactor—例題〔1〕(Unitfield)CSTR計(jì)算步驟改單位：field定義反響集ReactionSet定義反響〔選擇kinetic〕基于反響的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，Hysys對(duì)于ForwardOrder及ReverseOrder提供缺省值。本例中，水是過(guò)量的，所以從動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，僅對(duì)環(huán)氧丙烷來(lái)說(shuō)是一級(jí)的。把H2O的ForwardOrder改為0，從而指明水是過(guò)量的。建立混合器單元，分別輸入反響物PO和Water條件建立CSTR反響器單元，選擇進(jìn)料物流，給定產(chǎn)物和熱量流名稱(chēng)，設(shè)定反響器體積和液體含量在CSTR中Reaction選項(xiàng)卡中選擇ReactionSet給定出口物流溫度，所有自由度均滿(mǎn)足，開(kāi)始計(jì)算CSTR計(jì)算要點(diǎn)H2O過(guò)量，正反響級(jí)數(shù)填0反響相態(tài)：RxnPhase:CombinedLiquid速率單位：mol/體積.小時(shí)2.PlugflowReactor

—平推流反響器PlugflowReactor—平推流反響器在PFR反響器中如活塞流動(dòng)的流體的組成沿反響器長(zhǎng)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，所有流體微元在反響器中具有相同的停留時(shí)間PlugflowReactor—平推流反響器性質(zhì)：反響器內(nèi)完全沒(méi)有返混。可模擬單、兩、三相的體系。只能處理動(dòng)力學(xué)控制反響。可模擬換熱夾套。用途：化學(xué)反響式和動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算所能到達(dá)的轉(zhuǎn)化率，或所需的反響器體積，以及反響器熱負(fù)荷。PlugflowReactor—

連接

Hysys反響模塊CSTRPlugFlowPlugflowReactor—

模型參數(shù)反響序列(Reactionset)熱狀態(tài)(Thermalspecification)熱力學(xué)模型(Thermodynamics)反響器構(gòu)型(Reactordata)壓力(Pressure)熱狀態(tài)(Thermalspecification)指定溫度的反響器(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)指定反響器溫度(Fixedtemperature)3)指定熱負(fù)荷(Fixedheatduty)4)溫度分布(TemperatureProfile)，指定沿反響器長(zhǎng)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)定反響器