最新capd基础第十讲 反应器单元的仿真设计(一
反应器设计课程设计
反应器设计课程设计一、教学目标本课程旨在通过学习反应器设计的基本原理和方法，使学生掌握化学反应器的设计和分析能力。
具体目标如下：1.掌握化学反应器的基本类型及其工作原理。
2.了解反应器设计的主要参数和计算方法。
3.理解反应器操作条件对反应结果的影响。
4.能够运用反应器设计的基本理论解决实际问题。
5.能够独立完成反应器设计的相关计算和分析。
6.能够阅读和理解反应器设计的英文文献。
情感态度价值观目标：1.培养学生的创新意识和科学精神。
2.增强学生对化学工程学科的兴趣和热情。
3.培养学生关注社会发展和环境保护的责任感。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.反应器类型的介绍和分析。
包括釜式反应器、管式反应器、固定床反应器、流动床反应器等。
2.反应器设计的基本参数和计算方法。
如反应器的体积、压力、温度、流量等。
3.反应器操作条件对反应结果的影响。
如温度、压力、搅拌速度等。
4.反应器设计的实例分析。
通过具体案例，使学生掌握反应器设计的过程和方法。
三、教学方法本课程将采用多种教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性。
1.讲授法：通过讲解反应器设计的基本原理和概念，使学生掌握相关知识。
2.讨论法：通过分组讨论，引导学生深入思考和理解反应器设计的实际问题。
3.案例分析法：通过分析具体案例，使学生学会运用所学知识解决实际问题。
4.实验法：通过实验操作，使学生了解反应器的工作原理和操作方法。
四、教学资源本课程将采用教材《化学反应器设计》为主要教学资源。
同时，还将利用参考书、多媒体资料、实验设备等辅助教学资源。
这些资源将有助于支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、小组讨论等方式，评估学生的参与度和积极性。
2.作业：布置相关的反应器设计练习题，评估学生对知识的理解和运用能力。
3.考试：定期进行反应器设计相关的考试，评估学生的知识掌握和应用能力。
反应器的课程设计
反应器的课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解反应器的基本概念，掌握反应器类型及特点；2. 使学生掌握化学反应在反应器中的运行规律，了解影响反应器性能的因素；3. 引导学生掌握反应器设计的基本原则，学会分析反应器的设计参数。
技能目标：1. 培养学生运用反应器理论知识解决实际问题的能力；2. 提高学生进行实验操作、数据分析、设计方案的技能；3. 培养学生团队合作、沟通交流的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学反应工程学科的兴趣和热情；2. 培养学生严谨、认真、负责的学习态度，树立科学精神；3. 引导学生关注化学反应工程在实际生产中的应用，增强社会责任感。
课程性质：本课程为高中化学选修课程，旨在帮助学生了解化学反应器的基本原理和设计方法，培养学生解决实际问题的能力。
学生特点：高中生具备一定的化学基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手操作能力，但可能对化学反应器了解较少。
教学要求：结合学生特点和课程性质，采用理论教学与实验操作相结合的方式，注重启发式教学，引导学生主动探究、积极实践，提高学生的综合能力。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程的学习和实际应用打下坚实基础。
二、教学内容1. 反应器基本概念：反应器的定义、分类及特点，包括间歇式反应器、连续式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。
参考教材章节：第二章第一节2. 化学反应在反应器中的运行规律：反应速率与反应器类型的关系，反应器内浓度、温度、压力等对反应性能的影响。
参考教材章节：第二章第二节3. 反应器设计原则：反应器设计的基本原理，包括反应器容积、反应时间、反应器内流动状态等方面的设计方法。
参考教材章节：第二章第三节4. 反应器设计参数分析：影响反应器性能的参数，如反应器直径、高度、催化剂性能等，以及如何优化这些参数。
参考教材章节：第二章第四节5. 实践案例分析：分析典型的化学反应器设计案例，使学生了解反应器在实际生产中的应用。
第讲 反应器单元仿真设计一
第讲反应器单元仿真设计1. 背景反应器单元是化工过程中一项十分重要的设备。
为了保证其安全性和效率，设计师需要对其进行仿真分析。
反应器仿真分析是指使用计算机软件对反应器单元内部的物质、能量、动量传递过程进行模拟和计算，从而得到反应器的各种性能参数和工艺条件，比如反应器的温度、压力、物质流量等，以及反应器内部物质及能量传递的特性。
反应器单元的仿真设计是一项较为复杂的工作，需要用到化工工程、材料工程、物理学、数学等多个领域中的理论知识，同时还需要运用专业的仿真软件进行分析和计算。
2. 反应器单元模型在进行反应器单元的仿真设计之前，需要先建立反应器的模型。
反应器单元的模型，一般分为三个部分：输入部分、反应部分和输出部分。
输入部分主要是指反应物料的投入和反应所需的物理条件，如温度、压力等；反应部分主要是指反应过程的物理化学模型；输出部分就是对反应器单元进行模拟分析后得到的反应物料和条件的结果。
反应器单元的模型一般可以按照以下步骤来建立：1.确定反应物2.确定反应模型及反应机理3.确定物理模型及物理机理4.建立数学方程组5.数值计算针对不同的反应器单元，建立的模型有差异。
例如，对于流态床反应器，其模型通常分为两种类型：物料流动模型和催化反应模型；而对于管式反应器，其模型则通常包括质量守恒、能量守恒和动量守恒三个方程。
3. 反应器单元仿真软件反应器单元的仿真如何实现呢？这时就需要用到专业的反应器单元仿真软件。
反应器单元仿真软件可以对反应器单元模型进行分析和计算，并且能够模拟不同条件下的物质流动、反应过程等，帮助工程师确定最优工艺条件，提高反应器单元的效率和安全性。
目前较为常用的反应器单元仿真软件有：Aspen Plus、Hysys、Pro/II等。
这些软件可以对不同类型的反应器单元进行模拟，如批式反应器、型反应器、流态床反应器等。
4.反应器单元的仿真设计是化工工程中重要的组成部分，具有十分重要的意义。
反应器单元的仿真需要建立反应器的模型，并运用专业的仿真软件进行分析和计算。
“CAPD”培训班练习十二
设定不同的变量初值重复进行优化计算，并对结果进行讨论。 5） 同时优化加料氯气/苯比例和反应器体积，使单位反应器体积的二氯苯产量达到
最大值。对结果进行讨论。 6） 在产品中二氯苯摩尔分率不低于 0.67 的约束条件下，同时优化加料氯气/苯比例
“CAPD”培训班
练习十二
反应器单元的仿真设计 （三）
1、 以乙醇和乙酸为原料合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：
CH3CH2OH CH3COOH CH3COOC2H5 H2O
(A)
(B)
(C)
(D)
反应速率方程式如下：
rA
k
CACB
1 KC
CCCD
式中
kmol / m3 s
含乙醇 10.2 kmol/m3、乙酸 3.908 kmol/m3。
求：
1、反应时间为 2.5 hr 时的乙酸转化率；
2、操作周期为 3 hr 时的乙酸乙酯产量；
3、装填率=0.7 时所需的反应釜体积。
2、 苯氯化制造氯苯、二氯苯、三氯苯的化学反应方程式如下：
C6H6 Cl2 k1 C6H5Cl HCl
k3 0.0015 m3 / kmol s
反应在容积为 5m3 的连续搅拌釜中进行，反应釜的装填系数为 0.7，操作温度为 328 .15 K，操作压力 2 bar，釜顶设有冷凝回流器，冷凝温度 313.15 K。苯的加料速率 为 100 kmol/hr，温度为 293.15 K，压力为 0.2 MPa，氯气的加料温度为 293.15 K，压 力为 0.2MPa。 1） 分析加料氯气/苯比例对产品中三种氯代苯摩尔分率的影响。 2） 加料氯气/苯比例为 2.2 时，分析反应器体积对产品中三种氯代苯摩尔分率的影
反应器仿真操作实例
任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• (二)正常操作规程 • 1.正常工况下工艺参数 • (1)正常运行时，反应器温度TI1467 A为44. 0℃，压力PI1424 A控制
在2.523 Mpa。 • (2) FIC1425设自动，设定值56 186. 8 kg/h, FIC1427投串级控制。 • (3) PIC1426压力控制在0.4MPa, EV一429温度TI1426控制在38. 0℃。 • (4) TIC1466设自动，设定值38. 0 ℃ 。 • (5) ER一424 A出口氢气浓度低于50 PPm，乙炔浓度低于200 PPm。 • (6) EV429液位LI1426为50%。 • 2. ER一424 A与ER一424B间切换 • 3.ER一424 B的操作 • ER -424B的操作与ER -424A的操作相同。
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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。
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任务1固定床反应器单元仿真培训系统
• 2.紧急停车 • (1)与停车操作规程相同。 • (2)一也可按紧急停车按钮。 • (四)连锁说明 • 该单元有一连锁。 • 1.连锁源 • (1)现场手动紧急停车(紧急停车按钮)。 • (2)反应器温度高报('PL1467A/B > 66℃)。 • 2.连锁动作 • (1)关闭氢气进料，FI C 1427设手动。 • (2)关闭加热器EH一424蒸汽进料，TIC1466设手动。
“CAPD”培训班练习(一至十二)
23 113
3000 rpm 效率（%）
63
转速 2500 rpm
流量（m3/hr） 扬程（m） 效率（%）
20 76 64.5
转速
流量（m3/hr） 16.5
扬程（m）
51
2000 rpm 效率（%）
62
41.5
60
84
107
96
69
68
71
67
35
50
70
72
64
44
69
69
66
28
41
58
48.5
参考资料： 1. 《化工工艺设计手册》下册-2003 版 2. GB151-1999_管壳式换热器
CAPD培训班
练习七
分离单元的仿真设计（一）
1、F=1000 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=100 ℃含乙醇70 %w、水30 %w 的物流与F=500 kg/hr 、 P= 0.6 MPa、T=70 ℃含正己烷60%、乙醇40 %w 的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P= 0.11 MPa 。轻液相在汽相中的液沫夹带率为5%，重液相在汽相中的液沫夹带率为1%。 求：离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。
弯头（Elbow）和 2 只闸阀（Gate Valve）；出水管道长 55 m，需要安装 6 个
90弯头，2 只闸阀；离心泵入口的安装高度比清水贮槽液面低 0.5 m。
为降低能耗，采用变频电动机改变离心泵转速来调节输送流量，转速
变化范围为 1500~2800 rpm。离心泵的特性曲线如下表：
转速
流量（m3/hr） 扬程（m）
2、用水（P= 0.15 MPa、T=25 ℃） 作萃取剂从含乙醇40 %w、正己烷60%w 的混合液（F=1000 kg/hr、P= 0.15 MPa、T=25 ℃）中回收乙醇，要求乙醇的回收率达到98%。 求：1）需要的萃取剂用量，以及萃取相和萃余相的组成； 2）在25~50 ℃范围里，萃取釜的操作温度对萃取剂用量的影响。
CAPD基础 热过程单元的仿真设计(一)
Heater — 应用示例 (5)
求压力为 0.2 MPa，含甲醇 30%w 、 乙 醇 20%w 、 正 丙 醇 20%w、水30%w 的混合物的泡 点和露点。
HeatX 换热器模型
HeatX 模型用于模拟下述结 构的管—壳式换热器：
1. 逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent) 2. 折流板壳程（Segmental Baffle Shell) 3. 棍式挡板壳程（Rod Baffle Shell) 4. 裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)
13
3. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)
个
4. 热物流出口过冷度
选
(Hot stream outlet degrees subcooling)
项
5. 热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)
HeatX — 热物流出口温差
HeatX — 换热器设定 (2)
共 6. 冷物流出口温度
(Cold stream outlet temperature)
有 7. 冷物流出口温升
13
(Cold stream outlet temperature increase)
个
8. 冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach)
两组选项按下述方式配合使用：
HeatX—计算类型（2）
HeatX—简捷计算
简捷计算只能与设计或模拟选项配合。 简捷计算不考虑换热器几何结构对传热和压 降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。
反应器单元的仿真设计
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
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RYield —— 组分映射（2）
பைடு நூலகம்
RYield — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
C 4 H 22 O H C 2 O 42 H
RYield —— 产率（2）
RYield —— 组分产率
选择组分产率选项时，需指定相对于 每一单位质量非惰性进料而言，各种组分 在出口物流中的相对产率。
还可以设定进料中的某些组分为不转 化为产物的惰性组分(Inert Components)。
RYield —— 组分产率（2）
RYield —— 组分映射
汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
RYield —— 模型设定（2）
RYield —— 产率
产率设置有四个选项：
1、组分产率 (Component yields) 2、组分映射 (Component mapping) 3、石油馏分表征 (Petro characterization) 4、用户子程序 (User subroutine)
RStoic — 示例（2）
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？
RStoic — 示例（3）
在示例(1)中增加甲烷部分氧化反应如下式：
2 C H 4 3 O 2 2 C O + 4 H 2 O
2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
RStoic —— 模型设定（2）
RStoic —— 化学反应
定义RStoic中进行的每一个化学 反应的编号、化学计量关系、产物生 成速率或反应物转化率。并指明计算 多个反应的转化率时是否按照串联反 应方式计算。
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量 为100 kmol/hr。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 ℃，如果反 应器出口物流中摩尔比率 CH4 H2O : CO2 : H2 等 于 1 : 2 : 3 : 4 时，CO2和H2的产量是多少？需要 移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质 量平衡？是否满足元素平衡？
5、组分属性 (Comp. Attr.)
6、组分映射 (Comp. Mapping)
RYield —— 模型设定
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压强； (2) 温度/热负荷/温度改变
2、有效相态 (Valid Phases)
用途：只知化学反应式和各产物间的相 对产率，不知化学计量关系。
RYield——产率反应器（2）
RYield —— 连接
RYield —— 模型参数
RYield 模块有六组模型参数：
1、模型设定 (Specifications)
2、产率
(Yield)
3、闪蒸选项 (Flash Options)
4、粒度分布 (PSD)
2、计算反应热 (Calculate heat of reaction)
3、用户指定反应热 (Specify heat of reaction)
RStoic —— 反应热
RStoic —— 选择性
计算对于选定组分的选择性，其定义为：
SP,A P P// A Airdeeaal l
△P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； △A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； real 代表反应器内的实际情况； ideal 代表只有 A→P 一个反应发生时的情况。
CAPD基础第十讲 反应 器单元的仿真设计（一）
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）
RStoic —— 模型设定
设定操作条件和有效相态：
1、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力 (Pressure) (2) 温度/热负荷 (Temperature/Heat duty)
RYield — 示例（2）
若在示例（1）的原料气中 加入 25 kmol/hr 氮气，其余条 件不变，计算结果会发生什么 变化？
RYield — 示例（3）
以示例（2）的结果为基础， 在 Ryied 模块的产率设置项中 将氮气设置为惰性组份，重新 计算，结果如何？
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。
RStoic —— 选择性（2）
RStoic — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
C 4 H 22 O H C 2 O 42 H
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14， 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CH4转化率为73%时，CO2和H2 的产量是多少？反应热负荷是多少？
并在原料气中加入15 kmol/hr的氧气。若上述两 个反应中CH4转化率均为43%时， 产品物流中 CO、 H2O、CO2 和H2的流量各是多少？如果将 反应设为串联进行，上述流量又各是多少？
以上两个反应的反应热各是多少？
RYield——产率反应器
性质：根据每一种产与输入物流间的产 率关系进行反应，只考虑总质量 平衡，不考虑元素平衡。
RStoic —— 化学反应（2）
RStoic —— 化学反应（3）
RStoic —— 反应热
设定反应热的计算类型(Calculation type) 和参照条件(Reference condition) ：
1、不计算反应热 (Do not calculate heat of reaction)