第七讲 反应器单元的仿真设计(二).pps
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ASPENPlus培训教程之反应器单元的仿真设计(PPT 61张)
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q j j
B l 其 中 ：l n K A C n T D T l l ll l T
Reactions—动力学参数
(7)
推动力表达式包括两项： Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动 力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘 积。 在推动力输入界面中，必须完整输入 这两项的全部参数，包括推动力常数表达 式 的 系 数 (Coefficients for driving force constant)。
RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 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。
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定fications) (Reactions) (Pressure)
2、反应器构型 (Configuration)
RPlug — 模型设定
设定反应器类型，共有五种类型：
设定方式有 7 个可选项：
3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
q j j
B l 其 中 ：l n K A C n T D T l l ll l T
Reactions—动力学参数
(7)
推动力表达式包括两项： Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动 力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘 积。 在推动力输入界面中，必须完整输入 这两项的全部参数，包括推动力常数表达 式 的 系 数 (Coefficients for driving force constant)。
RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 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。
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定fications) (Reactions) (Pressure)
2、反应器构型 (Configuration)
RPlug — 模型设定
设定反应器类型，共有五种类型：
设定方式有 7 个可选项：
3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
第7讲 反应器单元的仿真设计(二)解读
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的
体积分率。
RCSTR — 设定方式（6）
RCSTR — 设定方式（7）
RPlug — 模型设定 (4)
RPlug — 模型设定 (5)
4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant)
5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant)
采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流 （连接图 2），并在反应器类型下拉框中选择相 应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和 冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或 蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。
化工设计软件 第七讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元 的仿真设计 (二)
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器（2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）
化学动力学类反应器
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：
n
exp
E R
1 T
1 T0
Reactions—动力学参数（2）
Reactions — 动力学参数 (3)
第七讲 反应器单元的仿真设计(二)
或三股出口物流，则应在 Streams 表单中设定每一股 物流的出口相态。
RCSTR — 设置出口物流 (2)
RCSTR — 选择反应
RCSTR中的化学反应通
过选用预定义的化学反应对 象来设定。
RCSTR—选择反应（2）
Reactions — 化学反应对象
用途： 为三类动力学反应器模块
和RadFrac 模块提供反应的 计量关系、平衡关系和动 力学关系。
Reactions —— 对象类型
创建化学反应对象时，需赋予对 象ID和选择对象类型。对于小分子反 应，常用的类型有三种： 1、LHHW 型
(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)
2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist)
Reactions —对象类型（2）
RPlug —— 连接 (2)
RPlug —— 模型参数
RPlug 模块有四组模型参数：
1、模型设定 3、化学反应 4、压力
(Specifications) (Reactions) (Pressure)
2、反应器构型 (Configuration)
RPlug — 模型设定
设定反应器类型，共有五种类型：
RPlug — 模型设定
(6)
RPlug —— 反应器构型
反应器构型表单中需要输入的项目有： • 单管或多管反应器(Multitube reactor) • 反应管的根数(Number of tubes) • 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) • 反应物料(Process stream)有效相态 • 冷却剂(Coolant stream)有效相态
RCSTR — 设定方式（8）
Aspen反应器单元模块
热力学平衡类反应器
根据热力学平衡条件计算体系发 生化学反应的结果，不考虑动力学可 行性。 该类别包含两种反应器。
1、平衡反应器（REquil）
Equilibrium Reactor
2、吉布斯反应器（RGibbs）
Gibbs Reactor
REquil——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。
70 % conversion of ethanol
F-STOIC RSTOIC FEED Feed: Temp = 70 C DUPL Pres = 1 atm Water: 8.892 kmol/hr Ethanol: 186.59 kmol/hr Acetic Acid: 192.6 kmol/hr F-GIBBS P-GIBBS P-STOIC
Forward Reaction: k = 1.9 x 108, E = 5.95 x 107 J/kmol Reverse Reaction: k = 5.0 x 107, E = 5.95 x 107 J/kmol Reactions are first order with respect to each of the reactants in the reaction (second order overall). Reactions occur in the liquid phase. Composition basis is Molarity.
RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 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。
AspenPlus模拟第七讲+第八讲+第九讲分离单元的仿真设计
灵敏度分析—Sensitivity
在进行过程设计和分析时，常常 需要了解某些过程变量受其它过程变 量影响的敏感程度，ASPTEN Plus为 此提供了一个非常有用的分析工具： 模型分析工具(Model Analysis Tools) 下的灵敏度(Sensitivity)对象。
灵敏度分析—Sensitivity (2)
分离单元的仿真设计
(一)
分离过程模型的分类
Aspen Plus 中的分离过程 模型包含两大类别：
• 简单分离单元模型
Separators
• 塔设备单元模型
Columns
简单分离单元模型
简单分离单元模型包含五个模块：
• 两相闪蒸器 • 组份分离器
Flash2
Sep
• 三相闪蒸器 • 两出口组份
Flash3
灵敏度分析—Sensitivity (11)
步骤6：
灵敏度分析—Sensitivity (12)
步骤7：在列表(Tabulate)表单中输入需 要进行灵敏度分析的列表变量 (Tabulated variable)或组合变 量的表达式(Expression) ，以 及 列 表 时 的 列 序 号 (Column No.)。
灵敏度分析—Sensitivity (13)
步骤7：
灵敏度分析—Sensitivity (14)
步骤8：结果查看 从左侧索引栏中选择灵敏度对象下的
结 果 (Results) 项 目 ， 右 侧 的 汇 总 (Summary)表单中按照指定的列序号列表 给出调节变量和列表变量的对应值。
灵敏度分析—Sensitivity (15)
Flash2 — 模型参数 （2）
Flash2 — 模型参数 （3）
反应器单元的仿真设计
软件应用
根据仿真设计的需求，利用所选软件进行数值计算和结果分析。
结果验证
将仿真结果与实验数据进行对比，验证仿真设计的准确性和可靠性。
04 反应器单元的仿真结果分 析
仿真结果的解读
温度分布
通过仿真结果，我们可以观察到反应器内的 温度分布情况，了解温度变化趋势和最高温 度出现的位置。
压力分布
压力分布的仿真结果有助于我们了解反应器内的压 力状况，分析压力波动和最大压力点。
内构件优化
在内反应器中设置适当的内构件，如挡板、搅拌器等， 可以改善流体流动和传热性能。
控制策略优化
温度控制
通过调节加热/冷却装置的功率，控制反应温度 在设定范围内，以获得最佳的反应效果。
压力控制
压力波动会影响产品质量和设备安全。应采用 适当的控制策略，稳定压力波动。
液位控制
对于有液位要求的反应，应保持液位稳定，防止因液位波动引起的反应异常。
02
03
误差控制
通过误差控制，我们可以采取措施减 小误差对仿真结果的影响，如改进模 型、优化计算方法等。
05 反应器单元的优化设计
参数优化
反应温度优化
通过调整反应温度，可以改变反应速率和产物分布。在一定范围内，提高温度可以增加反应速率 ，但过高的温度可能导致副反应增加和催化剂失活。
压力优化
压力对反应速率和产物收率有一定影响。在高压下，反应速率可能会增加，但同时也会增加设备 成本和操作风险。
仿真设计可以快速地对多种设计方案 进行评估和比较，缩短设计周期，提 高设计效率。
促进科研创新
仿真设计为科研人员提供了一种新的 研究手段，有助于推动化工领域的科 技进步。
02 反应器单元的基本原理
反应器单元的定义与分类
根据仿真设计的需求，利用所选软件进行数值计算和结果分析。
结果验证
将仿真结果与实验数据进行对比，验证仿真设计的准确性和可靠性。
04 反应器单元的仿真结果分 析
仿真结果的解读
温度分布
通过仿真结果，我们可以观察到反应器内的 温度分布情况，了解温度变化趋势和最高温 度出现的位置。
压力分布
压力分布的仿真结果有助于我们了解反应器内的压 力状况，分析压力波动和最大压力点。
内构件优化
在内反应器中设置适当的内构件，如挡板、搅拌器等， 可以改善流体流动和传热性能。
控制策略优化
温度控制
通过调节加热/冷却装置的功率，控制反应温度 在设定范围内，以获得最佳的反应效果。
压力控制
压力波动会影响产品质量和设备安全。应采用 适当的控制策略，稳定压力波动。
液位控制
对于有液位要求的反应，应保持液位稳定，防止因液位波动引起的反应异常。
02
03
误差控制
通过误差控制，我们可以采取措施减 小误差对仿真结果的影响，如改进模 型、优化计算方法等。
05 反应器单元的优化设计
参数优化
反应温度优化
通过调整反应温度，可以改变反应速率和产物分布。在一定范围内，提高温度可以增加反应速率 ，但过高的温度可能导致副反应增加和催化剂失活。
压力优化
压力对反应速率和产物收率有一定影响。在高压下，反应速率可能会增加，但同时也会增加设备 成本和操作风险。
仿真设计可以快速地对多种设计方案 进行评估和比较，缩短设计周期，提 高设计效率。
促进科研创新
仿真设计为科研人员提供了一种新的 研究手段，有助于推动化工领域的科 技进步。
02 反应器单元的基本原理
反应器单元的定义与分类
反应器仿真操作实例
• 一、儿童律动 • 律动是儿童所喜爱的音乐活动之一，它以音乐为基础，以
模仿为标志为手段。通过艺术特殊的美感作用，可以使儿童 加深对音乐形象的理解，，以舞蹈提高儿童对自然事物的艺 术表现能力。律动教学是幼儿园对儿童进行节奏训练的一门 主课，不仅给儿童以艺术美的享受，而且作为一种教育手段 也能培养儿童良好的生活习惯，陶冶他们的心灵和情操。 • 律动的内容可以是单一动作的模仿，也可以是几个动作的 组合;还可以让儿童在音乐伴随下，全身心地投入活动气氛中 ，按自己的想象，根据音乐的特点，编出各种动作。在这种 欢乐的气氛中，可以很好地发展儿童的想象力和创造力。幼 儿园的律动活动，是为了配合唱歌、音乐游戏和舞蹈学习而 选择的;
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任务2 流化床反应器单元仿真培训系统
• 一、工艺流程说明
• 1.工艺说明 • 该流化床反应器取材于Him。工艺本体聚合装置，用于生产高抗冲击
共聚物。具有剩余活性的干均聚物(聚丙烯)，在压差作用下自闪蒸罐 D - 301流到该气相其聚厅府器R一401. • 聚合物从顶部进入流化床反应器，落在流化床的床层上。流化气体 (反应单体)通过一个特殊设计的栅板进入反应器。由反应器底部出口 管路上的控制阀来维持聚合物的料位。聚合物料位决定了停留时间， 从而决定了聚合反应的程度，为了避免过度聚合的鳞片状产物堆积在 反应器壁上，反应器内配置一转速较慢的刮刀，以使反应器壁保持干 净。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 四、仿真界面
• 仿真界面如图7一1、图7一2所示。
• 五、思考题
• 1.结合本单元说明比例控制的工作原理。 • 2.为什么是根据乙炔的进料量调节配氢气的量，而不是根据氢气的量
调节乙炔的进料量？ • 3.根据本单元实际情况，说明反应器冷却剂的自循环原理。 • 4.观察在EH一429冷却器的冷却水中断后会造成的影响。 • 5.结合本单元实际，理解“连锁”和“连锁复位”的概念。
模仿为标志为手段。通过艺术特殊的美感作用，可以使儿童 加深对音乐形象的理解，，以舞蹈提高儿童对自然事物的艺 术表现能力。律动教学是幼儿园对儿童进行节奏训练的一门 主课，不仅给儿童以艺术美的享受，而且作为一种教育手段 也能培养儿童良好的生活习惯，陶冶他们的心灵和情操。 • 律动的内容可以是单一动作的模仿，也可以是几个动作的 组合;还可以让儿童在音乐伴随下，全身心地投入活动气氛中 ，按自己的想象，根据音乐的特点，编出各种动作。在这种 欢乐的气氛中，可以很好地发展儿童的想象力和创造力。幼 儿园的律动活动，是为了配合唱歌、音乐游戏和舞蹈学习而 选择的;
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任务2 流化床反应器单元仿真培训系统
• 一、工艺流程说明
• 1.工艺说明 • 该流化床反应器取材于Him。工艺本体聚合装置，用于生产高抗冲击
共聚物。具有剩余活性的干均聚物(聚丙烯)，在压差作用下自闪蒸罐 D - 301流到该气相其聚厅府器R一401. • 聚合物从顶部进入流化床反应器，落在流化床的床层上。流化气体 (反应单体)通过一个特殊设计的栅板进入反应器。由反应器底部出口 管路上的控制阀来维持聚合物的料位。聚合物料位决定了停留时间， 从而决定了聚合反应的程度，为了避免过度聚合的鳞片状产物堆积在 反应器壁上，反应器内配置一转速较慢的刮刀，以使反应器壁保持干 净。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 四、仿真界面
• 仿真界面如图7一1、图7一2所示。
• 五、思考题
• 1.结合本单元说明比例控制的工作原理。 • 2.为什么是根据乙炔的进料量调节配氢气的量，而不是根据氢气的量
调节乙炔的进料量？ • 3.根据本单元实际情况，说明反应器冷却剂的自循环原理。 • 4.观察在EH一429冷却器的冷却水中断后会造成的影响。 • 5.结合本单元实际，理解“连锁”和“连锁复位”的概念。
反应器单元模拟课程设计
反应器单元模拟课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握反应器单元的基本原理和数学模型；2. 帮助学生理解反应器单元模拟的过程和方法；3. 引导学生掌握反应器单元操作参数对模拟结果的影响。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行反应器单元模拟的能力；2. 提高学生分析问题、解决问题的能力；3. 培养学生利用计算机软件进行模拟操作的技能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学工程学科的兴趣，增强其学习动力；2. 引导学生认识到反应器单元模拟在实际工程中的应用价值；3. 培养学生的团队协作精神，使其在合作中共同成长。
课程性质：本课程为化学工程与工艺专业核心课程，以实际反应器单元操作为背景，结合理论教学和实验操作，培养学生的实际工程能力。
学生特点：学生已具备一定的化学基础和工程观念，具有较强的学习能力和动手能力。
教学要求：教师需采用理论教学与实践操作相结合的方式，充分调动学生的积极性，注重培养学生的实际操作能力和团队协作能力。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际工程问题的解决。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 反应器单元基本原理：包括反应器类型、反应动力学、质量与能量守恒原理等；教材章节：第二章第一节2. 反应器数学模型：介绍连续搅拌釜反应器、管式反应器等常见反应器的数学模型；教材章节：第二章第二节3. 反应器模拟方法：阐述反应器模拟的常见方法，如稳态模拟、动态模拟等；教材章节：第二章第三节4. 反应器操作参数对模拟结果的影响：分析反应温度、压力、搅拌速度等操作参数对模拟结果的影响；教材章节：第二章第四节5. 计算机模拟软件应用：介绍Aspen Plus、HYSYS等模拟软件在反应器单元模拟中的应用；教材章节：第三章第一节6. 实际案例分析：分析典型反应器单元操作案例，使学生了解实际工程中的模拟过程；教材章节：第三章第二节7. 实践操作：组织学生进行反应器单元模拟的实践操作，巩固所学知识。
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Reactions—动力学参数
(7)
推动力表达式包括两项：Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动 力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘 积。 在推动力输入界面中，必须完整输入 这两项的全部参数，包括推动力常数表达 式 的 系 数 (Coefficients for driving force constant)。
4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的 体积分率。
RCSTR — 设定方式（6）
RCSTR — 设定方式（7）
设定方式有 7 个可选项：
5、反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume & Phase Residence Time) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相在反应 器中的停留时间。
过选用预定义的化学反应对 象来设定。
RCSTR—选择反应（2）
Reactions — 化学反应对象
用途： 为三类动力学反应器模块
和RadFrac 模块提供反应的 计量关系、平衡关系和动 力学关系。
Reactions —— 对象类型
创建化学反应对象时，需赋予对 象ID和选择对象类型。对于小分子反 应，常用的类型有三种： 1、LHHW 型
n
Reactions —动力学参数 (5)
Reactions—动力学参数
(5)
点击右侧的Driving force按钮，即可弹 出推动力表达式输入界面。 推动力表达式(Driving force expression) 定义为：
推动力表达式 K1 Ci K 2 C j
RPlug —— 平推流反应器
性质：完全没有返混的管式反应器，可 带有换热夹套。可模拟单、两、 三相的体系。只能处理动力学控 制反应。 用途：已知化学反应式和动力学方程， 计算所能达到的转化率，或所需 的反应器体积，以及反应器热负 荷。
RPlug — 平推流反应器 (2)
RPlug —— 连接 (1)
Reactions — 反应设定（2）
Reactions —— 计量学参数
在计量学表单中为每一个化学反 应创建一个对象，并选择对象类型为 动力学 (Kinetic)或平衡 (Equilibrium) 型。输入反应方程式中的化学计量系 数(Coefficient)，对于幂律型反应对象， 还要输入动力学方程式中每一个浓度 因子的幂指数(Exponent)。
RPlug — 模型设定
(2)
RPlug — 模型设定
(3)
2、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。 3、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件 栏中设定传热系数(U coolant-process stream) 和冷却剂温度(Coolant temperature)。
RCSTR — 设定方式（8）
RCSTR — 设定方式（9）
设定方式有 7 个可选项：
6、停留时间和相体积分率 (Residence Time & Phase Volume Fraction) 必须输入物料在反应器中的总平均停留时 间和气相/凝聚相所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（10）
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Stirred Tank Reactor
RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 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。
RPlug — 模型设定
(6)RPlug —— 来自应器构型反应器构型表单中需要输入的项目有： • 单管或多管反应器(Multitube reactor) • 反应管的根数(Number of tubes) • 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) • 反应物料(Process stream)有效相态 • 冷却剂(Coolant stream)有效相态
设定方式有 7 个可选项：
3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 度的温度分布
Reactions —动力学参数 (4)
LHHW型的反应速率方程：
动力学因子 推动力表达式 rA 吸附表达式
动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：
E 1 1 T 动力学因子 k exp T0 R T T0
化工设计软件 第七讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元 的仿真设计 (二)
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器（2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）
化学动力学类反应器
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：
(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)
2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist)
Reactions —对象类型（2）
Reactions —— 反应设定
每一个化学反应对象可以包含多 个化学反应，每个反应都要设定计量 学参数和动力学参数/平衡参数。 1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium)
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
n
Reactions—动力学参数（2）
Reactions — 动力学参数 (3)
浓度基准([Ci] basis)有以下几种：
• • • • • • 摩尔浓度 (Molarity) , kmol/m3 质量摩尔浓度 (Molality) , mol/kg water 分压 (Partial pressure) , Pa 质量浓度 (Mass Concentration) , kg/m3 摩尔分率 (Mole fraction) , — 质量分率 (Mass fraction) , —
RPlug — 模型设定
(4)
RPlug — 模型设定
(5)
4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant) 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant) 采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流 （连接图 2），并在反应器类型下拉框中选择相 应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和 冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或 蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。
RCSTR— 设定方式（11）
设定方式有 7 个可选项：
7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留 时间和所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（12）
RCSTR — 选择反应
RCSTR中的化学反应通
Reactions —计量学参数（2）
Reactions — 动力学参数
在动力学表单中为每一个化学反应输 入发生反应的相态、动力学参数以及浓度 基准。 幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)即 反应速率常数 k’，它与温度的关系用修正 的Arrhenius方程表示：
E 1 1 T k ' k exp R T T0 T0
Reactions—动力学参数
(6)
Reactions — 动力学参数 (8)
点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附 表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化 剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影 响，用下述函数式描述： m v j 吸附表达式 K i C j i j Bi 其中： ln K i Ai C i ln T DiT T 如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指 数 m = 0 即可。
qj
Bl 其中： ln K l Al Cl ln T DlT T
Reactions—动力学参数
(7)
推动力表达式包括两项：Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动 力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘 积。 在推动力输入界面中，必须完整输入 这两项的全部参数，包括推动力常数表达 式 的 系 数 (Coefficients for driving force constant)。
4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Volume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的 体积分率。
RCSTR — 设定方式（6）
RCSTR — 设定方式（7）
设定方式有 7 个可选项：
5、反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume & Phase Residence Time) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相在反应 器中的停留时间。
过选用预定义的化学反应对 象来设定。
RCSTR—选择反应（2）
Reactions — 化学反应对象
用途： 为三类动力学反应器模块
和RadFrac 模块提供反应的 计量关系、平衡关系和动 力学关系。
Reactions —— 对象类型
创建化学反应对象时，需赋予对 象ID和选择对象类型。对于小分子反 应，常用的类型有三种： 1、LHHW 型
n
Reactions —动力学参数 (5)
Reactions—动力学参数
(5)
点击右侧的Driving force按钮，即可弹 出推动力表达式输入界面。 推动力表达式(Driving force expression) 定义为：
推动力表达式 K1 Ci K 2 C j
RPlug —— 平推流反应器
性质：完全没有返混的管式反应器，可 带有换热夹套。可模拟单、两、 三相的体系。只能处理动力学控 制反应。 用途：已知化学反应式和动力学方程， 计算所能达到的转化率，或所需 的反应器体积，以及反应器热负 荷。
RPlug — 平推流反应器 (2)
RPlug —— 连接 (1)
Reactions — 反应设定（2）
Reactions —— 计量学参数
在计量学表单中为每一个化学反 应创建一个对象，并选择对象类型为 动力学 (Kinetic)或平衡 (Equilibrium) 型。输入反应方程式中的化学计量系 数(Coefficient)，对于幂律型反应对象， 还要输入动力学方程式中每一个浓度 因子的幂指数(Exponent)。
RPlug — 模型设定
(2)
RPlug — 模型设定
(3)
2、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。 3、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件 栏中设定传热系数(U coolant-process stream) 和冷却剂温度(Coolant temperature)。
RCSTR — 设定方式（8）
RCSTR — 设定方式（9）
设定方式有 7 个可选项：
6、停留时间和相体积分率 (Residence Time & Phase Volume Fraction) 必须输入物料在反应器中的总平均停留时 间和气相/凝聚相所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（10）
1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Stirred Tank Reactor
RCSTR—全混釜反应器
性质：釜内达到理想混合。可模拟单、 两、三相的体系，并可处理固体。 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。
RPlug — 模型设定
(6)RPlug —— 来自应器构型反应器构型表单中需要输入的项目有： • 单管或多管反应器(Multitube reactor) • 反应管的根数(Number of tubes) • 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) • 反应物料(Process stream)有效相态 • 冷却剂(Coolant stream)有效相态
设定方式有 7 个可选项：
3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。
RCSTR — 设定方式（4）
RCSTR — 设定方式（5）
设定方式有 7 个可选项：
1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长 度的温度分布
Reactions —动力学参数 (4)
LHHW型的反应速率方程：
动力学因子 推动力表达式 rA 吸附表达式
动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：
E 1 1 T 动力学因子 k exp T0 R T T0
化工设计软件 第七讲
Simulation Design of Chemical Reactors
反应器单元 的仿真设计 (二)
反应器模块的类别
分为三大类七种反应器：
1. 生产能力类反应器（2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）
化学动力学类反应器
根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：
(Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson)
2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist)
Reactions —对象类型（2）
Reactions —— 反应设定
每一个化学反应对象可以包含多 个化学反应，每个反应都要设定计量 学参数和动力学参数/平衡参数。 1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium)
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RCSTR模块有两组模型参数： 1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty) 2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
n
Reactions—动力学参数（2）
Reactions — 动力学参数 (3)
浓度基准([Ci] basis)有以下几种：
• • • • • • 摩尔浓度 (Molarity) , kmol/m3 质量摩尔浓度 (Molality) , mol/kg water 分压 (Partial pressure) , Pa 质量浓度 (Mass Concentration) , kg/m3 摩尔分率 (Mole fraction) , — 质量分率 (Mass fraction) , —
RPlug — 模型设定
(4)
RPlug — 模型设定
(5)
4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reactor with co-current coolant) 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant) 采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流 （连接图 2），并在反应器类型下拉框中选择相 应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和 冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或 蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。
RCSTR— 设定方式（11）
设定方式有 7 个可选项：
7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留 时间和所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（12）
RCSTR — 选择反应
RCSTR中的化学反应通
Reactions —计量学参数（2）
Reactions — 动力学参数
在动力学表单中为每一个化学反应输 入发生反应的相态、动力学参数以及浓度 基准。 幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)即 反应速率常数 k’，它与温度的关系用修正 的Arrhenius方程表示：
E 1 1 T k ' k exp R T T0 T0
Reactions—动力学参数
(6)
Reactions — 动力学参数 (8)
点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附 表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化 剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影 响，用下述函数式描述： m v j 吸附表达式 K i C j i j Bi 其中： ln K i Ai C i ln T DiT T 如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指 数 m = 0 即可。