第2讲-反应器模块

《ProII与化工过程模拟》第 2 讲Reactor Models反应器模块过程模拟与软件应用教科组化学反应器是整个化工工艺流程的核心，是实现化学物质转化的必要工序为保证目的产品组分的产率和选择性，必须选择适宜的反应器类型和反应器网络。

提纲1. 生成能力类反应器转化率反应器2. 平衡类反应器平衡反应器吉布斯反应器3. 动力学类反应器全混流反应器平推流反应器间歇式反应器本讲目的熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型以及它们在过程模拟中的应用；了解特定的反应过程的特点，选择相适应的反应器类型或反应器网络，保证所需产品组分足够的产率和选择性。

反应器模块的类别分为三大类六种反应器：1.生产能力类反应器（1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）(一)生产能力类反应器由用户指定生产能力，不考虑热力学可能性和动力学可行性转化反应器Conversion ReactorConversion Reactor—转化反应器性质：按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有并行反应和串联反应两种方式，分别指定每一反应的转化率或产量。

用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率，不知化学动力学关系。

Conversion Reactor—连接S1S2R1Conversion Reactor—模型参数1、化学反应(Reaction set)2、热状态(Thermal specification)3、操作单元反应(Unit reaction definitions)4、反应程度(Extent of reaction)4、压力(Pressure)5、反应器数据(Reactor data)6、选择热力学模型(Thermodynamics)Conversion Reactor—反应设定选择在化学反应规定中定义的化学反应Conversion Reactor—反应器热状态设定反应热的计算类型：1)指定反应器温升2)指定反应器温度3)指定反应器热负荷Conversion Reactor—压力1)指定反应器出口压力2)指定反应器压力降Conversion Reactor —示例甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：22244H CO O 2H CH +↔+原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，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CH 4转化率为73%时，CO 2和H 2的产量是多少？反应热负荷是多少？Conversion Reactor—练习反应和原料同示例（1），若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，反应器进口温度为950 ℃，当反应器出口处CH4转化率为73%时，反应器出口温度是多少？（二）热力学平衡类反应器根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。

1、平衡反应器（Equilibrium Reactor）平衡常数法求解产物组成2、吉布斯反应器（Gibbs Reactor）最小自由焓法求解产物组成Equilibrium Reactor—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。

Equilibrium Reactor—平衡反应器S1S2R1Equilibrium Reactor —模型参数1、化学反应(Reaction set)2、热状态(Thermal specification)3、操作单元反应(Unit reaction definitions)4、反应程度(Extent of reaction)5、压力(Pressure)6、反应器数据(Reactor data)7、热力学模型(Thermodynamics)化学平衡常数ΘΘ−=∆KRT G ln 2ln RT H dT K d RΘ∆=(标准状态下）（其它温度下）若假定温度对反应热影响不大：lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2………在Unit Equllibrium Data 中输入的平衡常数将取代在Reaction Data-Reaction Equillibrium Data中输入的平衡常数规定了反应程度后，平衡常数根据下列温度计算反应程度的两种规定方法：1)Temperature approachT =T reaction-ΔT (吸热反应)T =T reaction+ ΔT (放热反应) 2)Fractional approachApproach=A +B*T + C*T2 Actual Conversion = Approach * Equilibrium ConversionEquilibrium Reactor —示例（1）甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：2243H CO O H CH +↔+原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，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 ℃，当反应器出口处达到平衡时，CO 2和H 2的产量是多少？反应热负荷是多少？222H CO O H CO +↔+Equilibrium Reactor—示例（2）分析示例（1）中反应温度在300‾1000 ℃范围变化时对反应器出口物流CH质量分率的影响。

4Equilibrium Reactor—练习（1）将示例(1)中的反应温度设为1000 ℃，分别分析反应(1)和反应(2)的趋近平衡温度在–200 ‾ 0 ℃范围变化时对反应器出口物流CH质量分率和4摩尔比的影响。

CO/CO2Gibbs Reactor—吉布斯反应器性质：根据系统的Gibbs自由能趋于最小值的原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。

用途：已知（或未知）化学反应式，不知道反应历程和动力学可行性，估算可能达到的化学平衡和相平衡结果。

对单相系统，规定T 和P 下的总吉布斯能由下式给出:式中N i 和分别是平衡混合物中组分i 的摩尔数和偏摩尔吉布斯能。

组分包括进料组分及可能由化学反应产生的组分。

在受原子衡算约束的条件下，总吉布斯能对N i 最小化。

这种方法容易推广到多相系统。

∑=−=C i ii G N G 1Gibbs Reactor —模型参数1、化学反应(Reaction set)2、热状态(Thermal specification)3、操作单元反应(Unit reaction definitions)4、反应程度(Extent of reaction)5、压力(Pressure)6、反应器数据(Reactor data)7、热力学模型(Thermodynamics)热状态1)定义输入物流的温度2)规定反应器温度3)规定反应器热负荷操作单元反应(Unit reaction definitions)选择化学反应规定反应器操作相态(V,L,V-L,V-L-L)进出口物流的规定：1、可以有任意数量的进料物流股，进2、最多可有四股出料物流股，每股的1、可以有任意数量的进料物流股，进口压力为多股物流中的最低压力值；2、最多可有四股出料物流股，每股的相态可以指定；Gibbs Reactor——限制平衡有两种选择：1、设定整个系统的趋近平衡温度；2、指定各个化学反应趋近平衡的温度，需要知道化学反应方程式。

Gibbs Reactor —示例（1）甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：2243H CO O H CH +↔+原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1:4，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℃，当反应器出口处达到平衡时，CO 2和H 2的产量是多少？反应热负荷是多少？与Equilibrium Reactor 的结果进行比较。

222H CO O H CO +↔+Gibbs Reactor —练习（1）若在示例(1)中的原料气中加入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH 4和NH 3的质量分率。

如果氮为惰性组份，结果有什么变化？Gibbs反应器的评价优点：1)可避免写出化学计量方程的必要性（只需要规定可能的产物）2)容易构造多相和同时存在相平衡的计算问题缺点：可能产生不正确的结果，因为它们隐含动力学上不可能的反应。

（三）化学动力学类反应器转化率和平衡反应器模型在过程设计的初期进行物料和能量衡算研究时是有用的。

但是，最终反应器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获得化学动力学的相关数据的基础上即可进行反应器结构和大小的设计。

根据化学动力学计算反应结果1、全混釜反应器Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器Batch ReactorCSTReactor—全混釜反应器最简单的动力学反应器模型是CSTR（连续搅拌釜式反应器），在该模型中反应器内物料假定为理想混合。

于是，假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度各流体微元在反应器内具有不同的停留时间CSTReactor—全混釜反应器性质：釜内达到理想混合。

可模拟单相、两相的体系。

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。

CSTReactor —连接S1S2R1CSTReactor —模型参数•反应器类型(Reactor type)•反应序列(Reaction set) •热状态(Thermal conditions)•热力学模型(Thermodynamics)•反应器体积(Reactor Volume)•压力(Pressure)1)反应器类型(Reactor type)2种：i.Continuous stirred tank ii.Boiling pot reactor所有的反应在液相中进行，只允许一个气相2)反应序列(Reaction set)选择已定义好的化学反应3)热状态i.相关物流的温度(Combined feed temperature) ii.固定温度(Fixed temperature)iii.热负荷(Heat duty)Reactions —动力学参数在动力学表单中为每一个化学反应输入反应动力学参数。

幂律型：反应动力学因子即反应速率常数k ’，它与温度的关系用Arrhenius方程表示：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⋅⋅=T R E T A k n1exp 'CSTReactor －设计方程物料衡算方程能量衡算方程()()00=−−nAR A A v C T k V C C q ()()()()00=−+∆−+−T T UA C T k V H T T c q c R nAR P v ρCSTReactor —示例（1）甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：反应器容积为5m 3，装填系数为0.6，加料氨水的浓度为4.1kmol/m 3，流量为32.5 m 3/hr 。