第十讲 反应器单元的仿真设计(一)
ASPENPlus培训教程之反应器单元的仿真设计(PPT 61张)
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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)
第十讲 反应器单元的仿真设计(一)
RGibbs —— 指定物流（2）
2、使用关键组分和截尾摩尔分率……
RGibbs —— 惰性物
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：
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) 2、计算反应热 (Calculate heat of reaction) 3、用户指定反应热 (Specify heat of reaction)
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
RStoic—化学计量反应器（2）
石化工程中的反应器设计与模拟技巧
石化工程中的反应器设计与模拟技巧反应器是石化工程中一个至关重要的设备，它是用于进行化学反应的装置。
反应器的设计与模拟技巧对于石化工程的运行效率和产品质量起着决定性的作用。
如何正确地设计和模拟反应器，成为了石化工程师们共同关注的问题。
一、反应器的设计技巧1. 确定反应类型与反应机理：在进行反应器设计之前，首先需要确定反应的类型和反应机理。
不同的反应类型和机理要求不同的反应器结构和操作条件。
例如，氧化反应与还原反应的需求不同，酸碱中和反应与催化反应的条件不同，需要分别进行优化设计。
2. 确定反应器类型与规模：根据反应类型和反应机理的要求，确定适合的反应器类型与规模。
常见的反应器类型包括批量反应器、连续流动反应器、固定床反应器等。
合理选择反应器类型和规模有助于提高反应效率和产品质量。
3. 确定反应物料的进料方式：考虑反应物料的性质和反应机理，选择合适的进料方式。
常见的进料方式有单相连续进料、多相间歇进料、逐步进料等。
正确的进料方式可以提高反应的效率和产率。
4. 设计适当的传热方式：反应器中的传热过程对于反应速率和产品质量起着重要的影响。
根据反应类型和反应机理，选择适当的传热方式，如对流传热、辐射传热和传导传热等。
通过设计合理的传热方式，可以充分利用能量，并提高反应效率。
5. 考虑反应物料的流动性和混合性：反应器中要求反应物料的良好流动性和混合性。
根据反应类型和反应机理，设计适当的流动条件和混合方式。
合理的流动性和混合性可提高反应效率和产物均匀性。
6. 选择合适的反应条件和操作参数：根据反应物料的性质和反应机理，选择合适的反应条件和操作参数。
常见的操作参数包括反应温度、反应压力、溶剂选择等。
合理的反应条件和操作参数能够提高反应效率和产物质量。
二、反应器的模拟技巧1. 建立适当的数学模型：反应器的模拟需要建立适当的数学模型。
根据反应类型、反应机理和反应物料的性质，选择合适的模型方程。
常用的模型方程包括质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程等。
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。
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。
ASPEN Plus培训教程 第十讲 反应器单元的仿真设计(一)
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压力； (2) 温度/热负荷
2、计算选项 (Calculation Options)
仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡/ 是否限制化学平衡
3、相态 (Phases)
输入存在的相态数。
RGibbs —— 模型设定
RGibbs —— 产物
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) 2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
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。
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。
RStoic —— 化学反应（2）
RStoic —— 化学反应（3）
RStoic —— 反应热
RYield —— 组分映射（2）
RYield — 示例（1）
化学反应器的建模与仿真技术研究
化学反应器的建模与仿真技术研究化学反应器是化学工程中最常用的设备之一，其主要功能是将原材料进行化学反应，形成所需的产物。
在化学反应器的设计和优化中，建模和仿真技术可以帮助工程师们更准确地预测反应的过程和结果，提高反应器的效率和质量，同时节约成本。
本文将从建模、仿真、应用等方面对化学反应器的建模与仿真技术进行探讨。
建模建模是化学反应器的设计和优化的必要步骤。
建模的目的是将化学反应器的物理和化学过程形式化地表达出来。
在建模中，需要考虑反应器的结构、反应机理、流动条件、温度等方面的影响。
目前，常用的建模方法包括基于物理的建模、基于经验的建模和基于统计的建模。
基于物理的建模是通过对反应器中的物理和化学过程进行建模，通过物理方程、化学反应方程和能量方程等来描述反应器的动态行为。
基于经验的建模利用运行数据和经验知识进行建模。
基于统计的建模则利用数据分析方法来建模，可以应用于高维数据建模和非线性数据建模。
这三种建模方法各有优劣，视情况而定选择适当的方法进行建模。
仿真仿真是在所建的模型基础上进行的。
仿真过程中，将模型中设定的物理和化学参数输入仿真软件，通过计算机模拟分析，得到反应器行为的动态性能，如响应速度、反应器稳定性、反应条件优化等。
通过仿真，可以在反应器实际投入运行之前对其进行反应过程的预测，以评估反应器的性能、优化操作和设计参数。
应用建模和仿真技术具有广泛的应用前景，可以用于催化剂开发、新产品开发、生产过程优化和设计等方面。
在催化剂开发中，建模和仿真能够帮助研究人员探索催化剂的反应机理和催化剂与反应物之间的相互作用。
通过建立反应器模型，研究人员可以了解催化剂在特定条件下的反应性能、选择最佳催化剂、优化催化剂反应条件，从而提高催化反应的效率。
在新产品开发中，建模和仿真能够模拟新产品的反应过程，帮助工程师们设计适合产品生产的反应器，降低必要的实验次数，更快地将产品推向市场。
在生产过程优化中，建模和仿真技术能够更好地理解反应过程的动态行为，实现反应参数的优化，减少生产成本，提高生产效率以及避免不良生产。
化学工程中的反应器建模
化学工程中的反应器建模化学反应器是化学工程领域里一类非常重要的设备，用于进行化学反应以及转化反应物成为产物。
但是在真实的反应环境中，许多因素都会影响反应器的反应结果，如温度、压力、反应器几何形状等。
因此，建立反应器的数学模型是理解和优化反应器性能的关键。
反应器建模是化学工程中非常重要的部分，通过建立反应器模型，可以预测反应器的性能、优化反应器的工艺条件。
反应器建模的目的是根据反应器的物理、化学动力学、流体力学等方面的特点，建立反应器的数学模型。
这个模型可以用来分析反应器的性能，预测产物的输出率以及优化反应器的设计和操作条件。
本文将介绍反应器建模的主要方法和模型类型，并探究反应器建模在化学工程领域中的应用。
一、反应器建模的方法反应器建模的方法主要分为三种，分别是基于质量守恒定律的方法、基于物理性质的方法以及基于化学动力学的方法。
1.基于质量守恒定律的方法根据质量守恒定律，物质在反应器中的质量守恒原则是反应器建模的基础。
在建立基于质量守恒定律的反应器模型时，需要考虑流体的质量变化以及各组分的通量。
质量守恒定律模型适用于稳态反应器，但难以描述非稳态模型，因此在设计反应器过程的动态特性时，需要考虑其他的方法。
2.基于物理性质的方法基于物理性质的方法需要考虑反应过程中的多物理现象，如传热、传质和流体动力学。
在反应器的设计过程中，可以根据反应器的几何形状、物理性质和流体动力学等因素建立物理模型。
物理模型能够提供反应器的各项参数，如温度场、浓度分布和流动速度等信息。
3.基于化学动力学的方法化学反应是反应器中的核心过程，因此反应器建模需要考虑化学动力学。
化学动力学方法适用于描述反应器的动态特性。
在建立化学动力学模型时，需要考虑反应器中反应组分的反应速率常数、化学反应方程式和反应物之间的相互作用等因素。
二、反应器模型的类型在反应器建模的过程中，还需要根据反应器的操作特点，确定反应器的模型类型。
反应器模型主要分为热平衡模型、动态模型、多相模型和强度模型等。
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RStoic — 示例（3）
在示例(1)中增加甲烷部分氧化反应如下式：
2CH4 3O2 2CO+4H2O
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？
REquil —— 化学反应（3）
REquil — 示例（1）
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
CH4 H2O CO 3H2
CO H2O CO2 H2
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 ℃， 当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量 是多少？反应热负荷是多少？
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) 压力； (2) 温度/蒸汽分率/热负荷
2、有效相态 (Valid Phases) 汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液 / 液-游离水 / 汽-液-游离水
REquil —— 模型设定（2）
REquil—平衡反应器（2）
REquil —— 连接
REquil —— 模型参数
REquil 模块有四组模型参数：
1、模型设定 (Specifications)
2、化学反应 (Reactions)
3、收敛
(Convergence)
4、液沫夹带 (Entrainment)
REquil —— 模型设定
4、反应热 (Heat of Reaction)
5、选择性 (Selectivity)
6、粒度分布 (PSD)
7、组分属性 (Component Attr.)
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)
2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口 物流相态； Use key components & cutoff mole fraction to assigns phases to outlet streams
RGibbs —— 指定物流（2）
2、使用关键组分和截尾摩尔分率……
RGibbs —— 惰性物
CAPD基础 第十讲
Simulation Design of Chemical Reactors
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）
反应器模块的类别（2）
生产能力类反应器
有三种选择：
1、系统中的所有组分都可以是产物；
RGibbs considers all components as products
2、指定可能的产物组分； Identify possible products
3、定义产物存在的相态。 Define phases in which products appear
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。
1、模型设定 (Specifications)
2、产率
(Yield)
3、闪蒸选项 (Flash Options)
4、粒度分布 (PSD)
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)
用途：已知化学反应方程式和每一反应 的转化率或产量，不知化学动力）
RStoic —— 连接
RStoic —— 模型参数
RStoic 模块有七组模型参数：
1、模型设定 (Specifications)
2、化学反应 (Reactions)
3、燃烧
(Combustion)
REquil —— 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CH4质量分率的 影响。
REquil — 示例（3）
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 CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的 影响。
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
(1) 压强； (2) 温度/热负荷/温度改变
2、有效相态 (Valid Phases)
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)
△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。
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：
CH4 2H2O CO2 4H2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14， 流量为100 kmol/hr。
RGibbs —— 产物 (2)
1、系统中的所有组分都可以是产物；
RGibbs —— 产物 (3)
2、指定可能的产物组分
RGibbs —— 产物 (4)
3、定义产物存在的相态
RGibbs —— 指定物流
有两种选择：
1、自动指定出口物流相态； RGibbs assigns phases to outlet streams
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。
包含两种反应器。
1、化学计量反应器（RStoic） Stoichiometric Reactor
2、产率反应器（RYield） Yield Reactor
RStoic—化学计量反应器
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。
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？
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 —— 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)
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 / A real P / A ideal
△P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数；
1、操作条件 (Operation Conditions)
(1) 压力； (2) 温度/热负荷
2、计算选项 (Calculation Options)
仅计算相平衡/同时计算化学平衡和相平衡/ 是否限制化学平衡
3、相态 (Phases)
输入存在的相态数。
RGibbs —— 模型设定
RGibbs —— 产物
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。
选 择 组 分 映 射 选 项 时 ， 需 在 Comp. Mapping表单中设置各种结合(Lump)反 应和分解 (De-lump)反应所涉及的组分 之间的定量关系。
RYield —— 组分映射（2）
RYield — 示例（1）