Aspen反应器单元模块

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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

[工学]AspenPlus应用基础-反应器

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.
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.
Aspen Plus 使用方法
Models for Reactors 反应器模块 <I>
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〕
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.
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> 压力； <2> 温度/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
RYield —— 产率
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.

aspen单元模块

（6）过冷度 Degrees of subcooling
（7）热负荷 Heat duty
51
Heater模型有两组模型设定参数：
2、有效相态 ( Valid Phase )
（1）蒸汽（2）液体（3）固体（4）汽—液
（5）汽—液—液（6）液—游离水
（7）汽—液—游离水
52
Heater — 模型参数（4）
法兰连接/焊接
直行三通旁路三通
其余当量长度
螺纹连接
其余K因子
Pipe —— 结果查看
从数据浏览器的Pipe对象下选择Results查看结果
Pipe —— 结果查看
计算结果还包括流体状态沿管长的分布剖形(Profiles)
Pipe —— 示例 1
流量为 5000 kg/h，压强为 7 bar的饱和水蒸汽流经 1084 的管道。管道长 20 m，出口比进口高 5 m，粗糙度为 0.05 mm。管道采用法兰连接，安装有闸阀 1 个，90 肘管 2 个。环境温度为 20 C，传热系数为 20 W/m2K。求：出口处蒸汽的压强、温度和含水率，以及管道的热损失各是多少？
Aspen Plus中各类主要单元模块介绍
主要模块类型
Pressure Changers（流体输送设备） Heat Exchangers（换热器） Columns（塔） Reactors（反应器） Mixers/Splitters（汇合/分支节点） Separators（分离器） Solids（固体分离设备）
使用出口物流
内部（环境）
压力
温度
Pipeline——管线参数
管段编号内端点
外端点
Pipeline—管线参数

Aspen模拟反应器模块[优质ppt]

第14页
反应器---动力学反应器
• RPLUG
第15页
反应器---动力学反应器
• RBATCH
只能处理以速率为基础的动力学反应可允许任意数目的连续或延迟进料流股过程的持续时间可以通过停止判据、周期时间
和结束时间（result time）来规定流程中使用集液罐连接稳态流股
第16页
反应器---反应ID的使用
第2页
反应器---基于物料平衡的反应器
• Rstoic 和Ryield这两类基于物料平衡的反应器适用于反应动力学不知道或不重要的情况
第3页
反应器---基于物料平衡的反应器
• RStoic
适用于反应动力学不知道或不重要的情况
要求原子平衡和质量平衡
用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器
当发生的反应未知，或由于有许多组分参与反
应，致使反应数量很多时，该模块非常有用。
RGibbs 是唯一能处理固-液-汽相平衡的Aspen
Plus模块
第9页
反应器---以化学平衡为基础的反应器
• RGibbs 基本规定屏
第10页
反应器---动力学反应器
动力学反应器有 RCSTR（全混流反应器）, RPlug （平推流反应器）和RBatch（间歇反应器）。 • 因为考虑了反应动力学, 所以必须对其进行定义。动力学可以用一个内置模型定义, 或用一个用户子程序定义，现有的内置模型是：幂律模型（Power Law） Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson
OUT
第6页
反应器---以化学平衡为基础的反应器
REquil（平衡反应器）和RGibbs（Gibbs自由能最小的平衡反应器）都可用于化学平衡和相平衡同时发生的单元操作的模拟。不考虑反应动力学该类模块能求解相似的问题，但对于问题的规

Aspen模拟反应器模块

C, O2
RStoic
2 CO + O2 --> 2 CO2
IN
C + O2 --> CO2
2 C + O2 --> 2 CO
OUT
C, O2, CO, CO2
On the evening of July 24, 2021
反应器---基于物料平衡的反应Cou器rseware template
• RStoic规定屏
动力学参数: 正反应: Pre-exp. Factor（指前因子） = 1.9 x 108, Act. Energy（活化能）= 5.95 x 107 J/kmol 逆反应: Pre-exp. Factor （指前因子） = 5.0 x 107, Act. Energy （活化能）= 5.95 x 107 J/kmol 反应中每个反应物的反应都是1级 (总共为2级)。反应发生在液相中。
• 在RStoic 反应器中，可以规定或计算参考温度、压力下的反应热
On the evening of July 24, 2021
反应器---例题1
Courseware template
• 【例题1】对比不同类型反应器的使用
反应器条件: Temperature（温度） = 70 0C Pressure （压力）= 1 atm
On the evening of July 24, 2021
反应器---例题1
Courseware template
• 【例题1】对比不同类型反应器的使用
反应器条件: Temperature（温度） = 70 C Pressure （压力）= 1 atm
化学计量式:
Ethanol(乙醇)+ Acetic Acid(乙酸)<--> Ethyl Acetate(乙酸乙酯)+ Water(水)

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）

Aspen模拟反应器模块.ppt

第2页
反应器---基于物料平衡的反应器
• Rstoic 和Ryield这两类基于物料平衡的反应器适用于反应动力学不知道或不重要的情况
第3页
反应器---基于物料平衡的反应器
• RStoic
适用于反应动力学不知道或不重要的情况
要求原子平衡和质量平衡
用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器
(LHHW) • 反应催化剂的反应系数可以为零。 • 反应通过“反应 ID”规定。
第11页
反应器---动力学反应器
• RCSTR
当反应动力学已知且反应器内物料性质与反应器出口完全相同时采用该反应器；
允许任意数目的进料流股，所有进料流股在反应器内完全混合；
最多允许三个产品流股：气相、液相1、液相2 或者气相、液相、自由水；
•
指数: A: 2 B: 3 C: 0 D: 0
逆反应: (假设反应中C为1级，D为2级)
系数: C: -1 D: -2 A: 2 B: 3 指数: C: 1 D: 2 A: 0 B: 0
第19页
反应器---反应热
第14页
反应器---动力学反应器
• RPLUG
第15页
反应器---动力学反应器
• RBATCH
只能处理以速率为基础的动力学反应可允许任意数目的连续或延迟进料流股过程的持续时间可以通过停止判据、周期时间
和结束时间（result time）来规定流程中使用集液罐连接稳态流股
第16页
反应器---反应ID的使用
第1页
反应器及其他常用模块
Reators (反应器)
以物料平衡为基础
Ryield (收率反应器)
Rstioc (化学计量反应器)

【清华】aspen教程-反应器模块

•Aspen中的单元操作模型•混合器/分流器（Mixers/Splitters）•分离器(Separators)•换热器(Heat Exchangers)•塔(Columns)•反应器(Reactors)•压力变换器(Pressure Changers)•操作器(Manipulators)•固体(Solids)•用户模型(Users)•概念设计(Conceptual Design)Reators (反应器)以物料平衡为基础Ryield(收率反应器)Rstioc(化学计量反应器)以反应平衡为基础REquil(平衡反应器)RGibbs(吉布斯反应器)以动力学为基础RCSTR(连续搅拌釜式反应器)RPlug(活塞流反应器)RBatch(间歇反应器)•Rstoic 和Ryield这两类基于物料平衡的反应器适用于反应动力学不知道或不重要的情况•RStoic✓适用于反应动力学不知道或不重要的情况✓要求原子平衡和质量平衡✓用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器✓可以规定或计算在参考温度和压力下的反应热2 CO + O2 --> 2 CO2C + O2 --> CO22 C + O2 --> 2 COC, O2IN OUTRStoic C, O2, CO, CO2•RStoic规定屏•RYield✓用于收率分布已知的反应器✓只要求物料平衡, 不要求原子平衡✓用来模拟入口物流不知道，但出口物流已知的反应器(例如，模拟一个炉子)70 lb/hr H 2O 20 lb/hr CO 260 lb/hr CO250 lb/hr tar （焦油）600 lb/hr char （焦碳）1000 lb/hr Coal （煤）IN OUTRYieldREquil（平衡反应器）和RGibbs（Gibbs自由能最小的平衡反应器）都可用于化学平衡和相平衡同时发生的单元操作的模拟。

✓不考虑反应动力学✓该类模块能求解相似的问题，但对于问题的规定不同✓允许单个反应能达到严格化学平衡•REquil✓通过求解反应平衡方程进而计算化学平衡和相平衡✓不能进行3相闪蒸计算✓可用于多组分物系、已知一些反应并且仅有较少组分参加反应的情况•RGibbs （Gibbs自由能最小的平衡反应器）通过吉布斯自由能最小化来确定在产品吉布斯自由能最小时的产品组成。

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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。
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连 —— 连接
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：
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
RStoic—化学计量反应器（2）
RStoic —— 连接
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。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
性质：间歇或半间歇操作的搅拌釜，釜内达到理想混合。自动根据加料和辅助时间提供缓冲罐，实现与连续过程的连接。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。
RBatch — 间歇釜反应器 (2)
RBatch — 连接
Compare the use of different reactor types to model one reaction
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。用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率或产量，不知化学动力学关系。
Reactor Workshop ---Objective:
RGIBBS F-PLUG RPLUG
Length = 2 m
P-PLUG
F-CSTR
Diameter = 0.3 m
P-CSTR
Use the NRTL-RK property method
RCSTR
Volume = 0.14 m3
Filename: REACTORS.BKP
Reactor Workshop (Continued)
Reactor Conditions:

Temperature = 70 C, Pressure = 1 atm
Stoichiometry:
Ethanol + Acetic Acid Ethyl Acetate + Water
Kinetic Parameters:
Hint: Check that each reactor is considering both Vapor and Liquid as Valid phases.
REquil—平衡反应器（2）
REquil —— 连接
RGibbs—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。
RGibbs—吉布斯反应器 (2)
化工CAD基础
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
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。
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)
RBatch — 间歇釜反应器