ASPEN Plus培训教程 第十一讲 反应器单元的仿真设计(二)

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)。
Reactions —计量学参数（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)
Reactions — 反应设定（2）
Reactions —— 计量学参数
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)。
Reactions —动力学参数 (4)
LHHW型的反应速率方程：
rA
动 力 学 因 子 推 动 力 表 达 式 吸 附 表 达 式
动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：
E 1 T 1 动力学因子 k exp T0 R T T0
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
反应速率方程式如下：
rA k C A C B
2
km ol / m s
3
式中：
2 .5 7 1 0 7 k 1420 exp RT m / km ol s
6 2
RCSTR — 示例 1
(续)
反应器容积为 5 m3 ，装填系数为 0.6，输 入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环 境，输入氮气量应该使出釜物料的气相分率保 持 在 0.001 左 右 。 加 料 氨 水 的 浓 度 为 4.1 kmol/m3，流量为 32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液 的浓度为 6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求 35 C 下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并 分析反应温度在 20~60 C 范围里对甲醛转化率 的影响。
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）
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：
T k' k exp T0
n
E 1 1 T0 R T
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
(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
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 C i
i pi
K2 C j
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。
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)
RCSTR—— 模型参数 （2）
RCSTR —— 设定方式
设定方式有 7 个可选项：
1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。 2、停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停 留时间。
RCSTR — 设定方式（2）
RCSTR — 设定方式（3）
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：
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：
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：
vj 吸附表达式 K i C j i j 其中： ln K i Ai Bi T
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）
m
C i ln T DiT
如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指 数 m = 0 即可。
Reactions — 动力学参数 (9)
RCSTR —— 示例 1
甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：
4N H 3 6H C H O (A ) (B )
C H 2 6 N 4
(C )
6 H 2O (D )
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)。
CAPD基础
第十一讲
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：