第2讲-反应器的模拟
化学工程行业中的反应器设计模拟教程
化学工程行业中的反应器设计模拟教程在化学工程领域，反应器是非常重要的设备，用于进行化学反应，并控制反应的速率和条件。
反应器的设计模拟是关键的一步，它通过模拟反应器的运行情况，提供了对反应条件、物质转化率和产物选择性的预测，从而指导实际的反应器设计和优化。
在反应器设计模拟中，首先需要了解反应的基本原理和反应动力学。
反应动力学研究反应速率与反应物浓度、温度和压力之间的关系，可以通过实验数据拟合得到反应速率方程。
基于反应动力学，可以确定适当的控制方案和运行条件。
其次，反应器设计模拟需要建立合适的反应器模型。
反应器模型是对实际反应器的简化描述，它可以基于理论方程、实验结果和经验公式建立。
常用的反应器模型包括理想反应器模型（如批式反应器、连续流动反应器）、非理想反应器模型（如混合流动反应器、动力糊流床反应器）和多相反应器模型（如固定床反应器、气液循环反应器）等。
然后，在反应器设计模拟中，需要进行流体力学分析。
流体力学分析考虑反应物在反应器中的传质和传热过程，包括质量传输和热传输。
传质和传热是影响反应器性能的重要因素，通过流体力学分析可以优化反应器结构和操作条件，提高转化率和选择性。
另外，反应器设计模拟还可以进行操作策略和控制系统的优化。
操作策略和控制系统对于反应器性能和稳定性起着重要作用。
通过模拟反应器的动态响应和控制方案，可以确定最佳的操作策略和控制参数，以实现稳定的反应器运行和优质的产品产出。
在实际的反应器设计模拟中，可以使用各种计算软件和模拟工具。
常见的软件包括ASPEN Plus、COMSOL Multiphysics、MATLAB等。
这些软件提供了建立反应器模型、计算和优化反应器性能的功能，能够准确预测反应器的运行情况和产品性能。
此外，反应器设计模拟还需要考虑安全性和环境影响。
在设计反应器时，需要遵守安全规范和环保要求，确保反应器的运行安全和对环境的最小影响。
安全评估和环境影响评估是反应器设计模拟的重要组成部分，在设计过程中需要充分考虑。
化学反应工程中的反应器模拟
化学反应工程中的反应器模拟反应器是化学反应过程中最重要的装置之一，其设计和运行对于反应过程的效率和安全性都起着至关重要的作用。
在反应器设计过程中，模拟仿真是必不可少的一步，可以有效帮助工程师优化反应器的操作条件，提高反应器的运行效率。
反应器模拟主要包括传热、传质、反应动力学等方面的模拟。
在传热方面，工程师需要考虑反应器内部的温度分布、热传递系数等参数，以保证反应器内部不会发生过热或过冷等情况。
在传质方面，工程师需要考虑反应物和产物在反应器内部的浓度变化、扩散系数等参数，以保证反应物能够被充分利用并达到预期的反应效果。
在反应动力学方面，工程师需要考虑反应物在反应器内部的互作用、反应速率等参数，以保证反应过程的可控性和安全性。
反应器模拟的方法主要包括实验、计算机仿真和理论计算三种方式。
实验方法通常是通过实际操作反应器来获得反应器内部的动态数据，并通过分析这些数据来优化反应器设计。
计算机仿真方法则是通过计算机程序模拟反应器内部的温度分布、浓度分布等参数，并根据这些参数优化反应器的操作条件。
理论计算方法是通过理论公式和数学模型计算反应器内部的温度、浓度等参数，以达到优化反应器操作的效果。
在化学反应工程中，反应器模拟的应用非常广泛，可以用于设计新型反应器、改进既有反应器的操作效率、实现反应工程的安全性管理等方面。
下面我们将具体介绍几种常见的反应器模拟方法及其应用。
1. CFD模拟方法CFD是计算流体力学的缩写，是一种将流体流动、传热、传质等热力学现象进行计算机数值模拟的方法。
在反应器设计中，CFD方法可以用于预测反应器内部的流动状态、温度分布、浓度分布、反应速率等参数。
通过这些参数，工程师可以优化反应器的设计，提高反应器的操作效率和反应产品的质量。
2. 动态模拟方法动态模拟方法是通过数学模型和计算机程序模拟反应器内部的动态变化过程，以了解反应器任意时刻的温度分布、浓度分布、反应速率等参数。
工程师可以根据这些参数进行反应器的优化设计，实现反应过程的高效、稳定、安全。
化学反应工程__第2章_理想反应器讲解
平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2020年8月15日星期六
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2020年8月15日星期六
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
11 ln
k 1 xA
VRv(tt0)v( 1 kln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。 由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
化工工艺中反应器的模拟与设计研究
化工工艺中反应器的模拟与设计研究一、引言反应器作为化工工艺中的核心装置，在化学反应过程中起到至关重要的作用。
对反应器进行模拟与设计的研究，能够帮助化工工程师更好地理解反应过程，优化反应条件，提高产品质量和产量。
本文将重点介绍化工工艺中反应器的模拟与设计的相关研究。
二、反应器模拟反应器的模拟是指通过数学建模和计算方法，对反应器所涉及的物理和化学过程进行描述和预测。
常见的反应器模拟方法包括动力学模型、瞬态模型和CFD模型。
1. 动力学模型动力学模型是基于反应机理和动力学方程建立的数学模型，用来描述反应物浓度、反应速率等参数的变化规律。
通过动力学模型，可以预测反应物浓度随时间的变化趋势，以及反应速率对温度、压力、催化剂等因素的敏感性。
2. 瞬态模型瞬态模型是用来描述反应器在启动、停车、升温、降温等过程中的动态行为。
通过瞬态模型，可以模拟反应器在不同操作条件下的性能表现，提高反应器的运行效率和安全性。
3. CFD模型CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模型是基于流体力学原理建立的数学模型，用来模拟反应器内部流体的流动和物质的传输过程。
通过CFD模型，可以优化反应器结构和操作条件，提高传热和传质效率。
三、反应器设计反应器设计是根据给定反应方程和要求，确定反应器的结构、尺寸和操作条件，以实现理想的反应过程。
反应器设计的关键是确定反应器类型、选择催化剂和优化反应条件。
1. 反应器类型常见的反应器类型包括批式反应器、连续式反应器和间歇式反应器。
批式反应器适用于小规模生产和研发阶段；连续式反应器适用于大规模连续生产；间歇式反应器适用于难以实现连续操作的情况。
2. 催化剂选择催化剂是一种能够加速化学反应过程的物质，常用于有机合成和重整过程。
催化剂的选择应考虑其反应活性、选择性、稳定性和成本等因素。
3. 反应条件优化反应条件的优化包括温度、压力、物料配比和搅拌速度等参数的选择。
化学反应器的设计与模拟
化学反应器的设计与模拟化学反应器是化学生产过程中必不可少的设备，它在化学反应过程中起着关键作用。
化学反应器的设计与模拟是一项十分重要的工作，可以有效地提高反应器的生产效率和质量，降低成本和碳排放量。
本文将围绕化学反应器的设计与模拟展开论述。
一. 化学反应器的基本原理化学反应器是将反应物转化为所需产物的设备。
化学反应器的设计需要考虑多方面的因素，如反应物的物理化学性质、反应条件的选择、反应速率的控制、反应物和产物的分离、设备的安全可靠等。
不同的反应系统需要设计不同类型的反应器。
反应器可以分为连续型反应器和离散型反应器两种。
连续型反应器的反应物在反应过程中连续加入，同时产物持续排出。
离散型反应器则是将反应物一次性注入反应器，进行短时间的反应，反应结束后再将产物收集。
二. 化学反应器的设计化学反应器的设计需要综合考虑反应物性质、反应条件等因素，选择合适的反应器类型并优化设计。
本文将介绍几种常见的反应器类型及其设计要点。
1. 性能反应器性能反应器是一种可行性实验装置，用于评估反应物的物化性能，包括温度、压力、流量、溶解度、表面张力等。
性能反应器通常采用小型设备进行模拟测试，以便更好地了解反应物的特性和在更大规模的反应器中的应用情况。
2. 管式反应器管式反应器是一种成本低、设计简单的设备，常用于连续生产。
其设计原理是将反应物沿管路逐级加入，反应后的产物从反应管底收集。
管式反应器的设计需要考虑反应过程中的温度、压力、流速等因素，并通过优化受热和冷却的管道来控制反应速率。
3. 滴定反应器滴定反应器是一种离散型反应器，适用于定量测量试样种化学物质的含量。
滴定反应器会在试样中加入化学试剂，用于评估试样中所含化学物质的数量。
滴定反应器的设计需要考虑试样的体积和浓度，以及试剂的添加量和配比等因素。
三. 化学反应器的模拟化学反应器的模拟是指使用计算机软件模拟反应器的运行过程，以预测反应器的工作条件、产物的产率和质量等方面的信息。
化工软件第2讲-反应器的模拟
(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 Reactor
Conversion 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。
Gibbs 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:
Equilibrium 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)
Conversion Reactor —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？
（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）
化工行业中反应器模拟软件的使用流程解析
化工行业中反应器模拟软件的使用流程解析在化工行业中，反应器是常见的设备之一，用于进行化学反应过程。
为了提高反应器的效率和安全性，化工工程师经常会使用反应器模拟软件来模拟和分析反应器的性能。
本文将解析化工行业中反应器模拟软件的使用流程，帮助读者更好地了解其操作方法与应用。
第一步：收集数据和确定反应机制在使用反应器模拟软件之前，首先需要收集与反应器相关的数据。
这包括反应器的几何参数、反应物质的物理化学性质、反应速率常数等。
同时，还需要确定反应的机理和方程式。
这些数据和信息将为后续的模拟提供基础。
第二步：建立反应器模型在确定反应机制和收集数据之后，需要使用反应器模拟软件建立反应器的数学模型。
这个过程涉及到数学方程的建立，通常基于质量守恒、能量守恒和动量守恒原理，根据反应器的几何形状、物料流动和反应机理来建立模型。
第三步：选择数值方法和求解建立好反应器模型后，需要选择适当的数值方法来求解模型。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和级数展开法等。
通过这些数值方法，可以得到反应器在不同条件下的解。
第四步：模拟和优化在获得反应器模型的解之后，可以通过软件进行模拟和优化。
模拟可以预测反应器在不同操作条件下的性能表现，如温度、压力、物料浓度等。
优化可以进一步改善反应器的效率和安全性，如调整反应器的结构参数、操作条件等，以达到最佳的设计和运行效果。
第五步：结果分析和对比在模拟和优化之后，需要分析和对比不同方案的结果。
可以通过软件提供的可视化工具来观察和分析反应器的动态变化，并对比不同操作条件下的性能差异。
这有助于化工工程师理解反应器模型的行为和影响因素，为进一步改进提供指导。
第六步：验证和实验设计经过模拟和优化之后，需要将得出的结论与实际情况进行验证。
化工工程师可以设计实验来验证数值模拟的结果，并进一步优化反应器的性能。
通过实验与模拟结合，可以验证模型的准确性和优化方案的有效性。
总结：反应器模拟软件在化工行业中的应用越来越广泛，可以帮助化工工程师更好地设计、优化和运行反应器。
反应器的模拟实验
吉布斯反应器(RGibbs模块)是通过Gibbs自由能从小实现化学平衡和相平衡，主要用于化学平衡和相平衡同时发生的反应器，对固体溶液和汽-液-固系统计算相平衡；
附表：四种不同类型的反应器所有物料及组分的物性数据与摩尔流量表
F-CSTR
F-GIBBS
F-PLUG
F-STOIC
FEED
P-CSTR
P-GIBBS
P-PLUG
P-STOIC
Temperature C
70
70
70
70
70
70
70
130.7154
70
Pressure bar
1.01325
1.01325
表3活塞流反应器（RPlug模块）长度与压力、温度、气相分率、停留时间的分布关系表
Reactor length
Pressure
Temperature
Molar vapor fraction
Residence time
meter
atm
C
hr
0
1
70.0000051
0
0
0.2
1
130.829922
0
0.00112368
8.892
8.892
128.811
181.5976
132.6769
139.505
2.四种反应器的模拟结果；
3.活塞流反应器（RPlug模块）长度与四种组分的摩尔分数、压力、温度、气相分率、停留时间的分布关系。
2）实验结果的记录
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第2讲 反应器的模拟
化工过程合成方法
反应器
分离与再循环系统 换热网络 公用工程
Onion Model－“洋葱”模型
¾ 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
¾ 为保证目的产品组分的产率和选择性， 必须确定适宜的反应器类型和反应器网 络。
ProII 中反应器的分类
输入反应转化率
Conversion Reactor — 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CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是 多少？反应热负荷是多少？
Temperature approach
T=TReaction-ΔT (吸热反应) T=TReaction＋ΔT (放热反应) TReaction - 指定的反应温度 T - 计算平衡常数的温度
反应程度或可规定为： Approach=A+B·T+C·T2 Actual Conversion = Approach * Equilibrium Conversion
Conversion 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)
(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 Reactor
Conversion Reactor — 转化反应器
性质：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。
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。
Equilibrium Reactor — 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，CO2和H2的 产量是多少？反应热负荷是多少？
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 — 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)
若假定温度对反应热影响不大，则： lnK=A+B/T
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
Extent of Reaction
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
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CH4 质量分率的影响。
Equilibrium 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)的平衡 温差在 –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。
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)
独立反应数= 化学物质数-原子数
化学平衡常数
ΔGΘ = −RT ln K (标准状态下）
d ln K
=
ΔH
Θ R
dT RT 2
（其它温度下）
一般提供下列表达式： ¾ lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2………
Conversion Reactor —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？
（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。