第十二讲 反应器单元的仿真设计(三)
流化床反应仿真操作单元指导书
流化床反应仿真操作单元指导书(总8页)本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March《反应过程与技术》仿真操作指导书周波辽宁石化职业技术学院石油化工系流化床反应仿真操作单元一.工艺流程说明：该流化床反应器取材于HIMONT工艺本体聚合装置，用于生产高抗冲击共聚物。
具有剩余活性的干均聚物（聚丙烯），在压差作用下自闪蒸罐D-301流到该气相共聚反应器R-401。
在气体分析仪的控制下，氢气被加到乙烯进料管道中，以改进聚合物的本征粘度，满足加工需要。
聚合物从顶部进入流化床反应器，落在流化床的床层上。
流化气体（反应单体）通过一个特殊设计的栅板进入反应器。
由反应器底部出口管路上的控制阀来维持聚合物的料位。
聚合物料位决定了停留时间，从而决定了聚合反应的程度，为了避免过度聚合的鳞片状产物堆积在反应器壁上，反应器内配置一转速较慢的刮刀，以使反应器壁保持干净。
栅板下部夹带的聚合物细末，用一台小型旋风分离器S401除去，并送到下游的袋式过滤器中。
所有末反应的单体循环返回到流化压缩机的吸入口。
来自乙烯汽提塔顶部的回收气相与气相反应器出口的循环单体汇合，而补充的氢气，乙烯和丙烯加入到压缩机排出口。
循环气体用工业色谱仪进行分析，调节氢气和丙烯的补充量。
然后调节补充的丙烯进料量以保证反应器的进料气体满足工艺要求的组成。
用脱盐水作为冷却介质，用一台立式列管式换热器将聚合反应热撤出。
该热交换器位于循环气体压缩机之前。
共聚物的反应压力约为(表)，70℃，注意，该系统压力位于闪蒸罐压力和袋式过滤器压力之间，从而在整个聚合物管路中形成一定压力梯度，以避免容器间物料的返混并使聚合物向前流动。
反应机理:乙烯，丙烯以及反应混合气在一定的温度70度，一定的压力下，通过具有剩余活性的干均聚物（聚丙烯）的引发，在流化床反应器里进行反应，同时加入氢气以改善共聚物的本征粘度，生成高抗冲击共聚物。
小型反应釜控制系统的仿真设计
摘要反应釜是一种常用的化学反应容器，其内部反应机理较为复杂。
研究通过控制其过程参数而控制化学反应过程，以提高产品的收率和质量的方法，对化工生产和生物制药等工业很有实用价值。
本文全面的分析了反应釜温度变化的特点以及控制难点，在对反应釜夹套加热系统的传热原理系统分析的基础上，根据热量平衡原理和反应釜的热量传递关系，采用机理建模和阶跃响应曲线方法建立了釜内温度的数学模型，并利用实验数据和理论分析验证了模型的有效性。
关键词：反应釜；串级控制；MATLAB仿真；温度控制I / 50AbstractThe reaction kettle is a kind of common chemical reaction containers, its internal reaction mechanism is more complicated. Research through the control of its process parameters and the control of chemical reaction process, to improve the yield and quality products with the method of chemical production and biological pharmaceutical industry, etc have practical value.This paper analyzed the characteristics of the reaction kettle temperature change and control the difficulty, in the reaction kettle clip set of heating system of the heat transfer theory system on the basis of analysis, according to the quantity of heat balance principle and the reaction kettle of heat transfer of the relationship, using mechanism modeling and step response curve method to establish the mathematical model of temperature in the kettle, and the utilization of the data and the theoretical analysis verify the effectiveness of the model.Keywords:the reaction kettle；cascade control；MATLAB；the temperature controlII / 50目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2课题的目的与意义 (1)第2章控制方案的确定 (3)2.1反应釜的结构及工作原理 (3)2.2反应釜釜底温度特点分析 (4)2.3反应釜控制系统设计指标的确定 (5)2.4方案比较 (6)2.4.1 单回路控制系统设计 (6)2.4.2 串级控制系统设计 (7)2.5方案确定 (8)本章小结 (8)第3章系统硬件设计 (10)3.1主、副调节器的选择 (10)3.2主、副调节器的作用方式 (11)3.3温度变送器 (12)3.4调节阀的作用方式 (13)本章小结 (13)第4章MATLAB仿真设计及结果 (14)4.1模拟PID算法及规律 (14)4.2单回路控制系统仿真 (16)4.3串级控制仿真 (19)本章小结 (24)结论 (24)致谢 (25)参考文献 (26)附录1 译文 (27)附录2 英文参考资料 (36)III / 50第1章绪论1.1 课题背景化工生产在我国的国民经济建设中占有很重要的地位。
化工过程开发3反应器的设计
式为
A
c
d
a
a
b
当n＝0时， k cA0 xA
（2）非恒温非绝热操作的BR的计算
热量衡算：
Q3 (反应产生的热)－Q4 (通过热交换传出的热)＝Q5 (累积的热)
在dt时间内，反应物A实现的转化率为dxA，系统的温度变化为dT，
则
（－∆Hr）nA0 dxA－KA∆T＝mTcp dT
用预估－校正法计算非反应时间及温度分布的方法
(Plug三Flo、w理Re想act连or,续PF操R作) 管式反应器 －－（一）活塞流反应器的特点
设u0为反应器进口处流体的流速，则恒温恒容PFR转化率 与轴向距离Z的关系式为
rA
dxA
d
VR qnA0
qnA0
dxA dVR
qnA0 qv0cA0
qv0 Au0
dVR AdZ
rA
u0
dcA dZ
对于BR，
rA
dcA dt
对于定态操作的活塞流反应器，反应物系的浓度随轴向距离 而变，与时间无关。对于间歇操作釜式反应器，反应物系的 浓度随时间而变，与位置无关。这是两者的基本差别。
（二）PFR的计算 1、物料衡算方程式
物料衡算式为： qnA－(qnA+dqnA)－(－rA)·dVR＝0
整理得
rA
dqnA dVR
PFR的设计方程
根据转化率的定义，则有qnA＝ qnA0(1－xA)
于是
rA
d
dxA
VR qnA0
积分得
V q xAf
R
nA0 xA0
dxA rA
令qv0为反应物料的初始体积流量，m3/h，则qnA0＝qv0cA0
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。
理想反应器的设计
图解法原理
C Ai 1 C Ai C Ai 1 C Ai i (rAi ) f (C Ai )
-rA
rAi f (C Ai )
C Ai 1
i
C Ai
i
x
f(CA)
y f ( x)
C Ai 1
CA1
CA0
CA
多级串联反应器体积设计
求： 已二酸的转化率分别为xA=0.5、 0.6、0.8所需的反应时间分别为 多少？ 若每天处理已二酸2400kg，转 化率为80%，每批操作的辅助 时间为1小时，试计算确定反应 器的体积大小。
苯乙烯集合设备设计参数
项目要求
年产量/吨 9000 生产时间 7200
甲苯/% 聚合率
12 79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
项目要求
年产量/ 9000 吨 生产时间 7200
甲苯/%
聚合率
12
79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
1
140 0.25
装料系数 80%
70
密度（查 880 表） kg/m3
计算过程
假设是四级串联釜：第一级转化率是：30%
第二级是50%，第三级是60%，第四级是
计算过程
生产时间=XA/k*(1-XA)=0.795/0.051=15.6h
有效体积=15.6*1572.3=24509=24.5m3 实际体积=24.5/0.8=30.7m3
平推流反应器
物料衡算式：
空时：是空间时间的简称。它是指在
规定的条件下，反应器有效容积和进料 体积流量的比值，
3化工仿真DCS固定床单元仿真操作
用于多相反应过程
用于多相反应系统
多相反应体系，可 以提高传热速率
用于多相体系，催 化剂可以连续再生 属于固定床的一种， 用于使用固体催化 剂的气液反应过程
固定床反应器 定义：在反应器中，若原料气以一定流速通过静止催 化剂的固体层，通常把这类反应器称为固定床反应器。
ER-424A/B中的反应原料在2.523MPa、44℃下反应生成C2H6。 当温度过高时会发生C2H4聚合生成C4H8的副反应。反应器中的热 量由反应器壳侧循环的加压C4冷剂蒸发带走。
C4蒸汽在水冷器EH-429中由冷却水冷凝,而C4冷剂的压力由压力控 制器PIC-1426通过调节C4蒸汽冷凝回流量来控制,从而保持C4冷剂 的温度。
设备一览
EH-423：原料气/反应气换热器 EH-424：原料气预热器 EH-429：C4蒸汽冷凝器 EV-429：C4闪蒸罐 ER424A/B：C2X加氢反应器
正常工况下工艺参数 (1)正常运行时，反应器温度TI1467A：44.0℃，压力PI1424A控制在 2.523MPa。 (2)FIC1425设自动，设定值56186.8 KG/H，FIC1427设串级。 (3)PIC1426压力控制在0.4MPa，EV-429温度TI1426控制在38.0℃。 (4)TIC1466设自动，设定值38.0℃。 (5)ER-424A出口氢气浓度低于50PPm，乙炔浓度低于200PPm。 (6)EV429液位LI1426为50%。
思考2：
1、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？ 2、观察在EH-429冷却器的冷却水中断后会造成的结果。 3、结合本单元实际，理解“连锁”和“连锁复位”的概念。
第三讲热过程单元的仿真设计
HeatX—— U - 相态法
HeatX—— 详细计算
压降 ( Pressure Drop )
• 分别指定热侧和冷侧的出口压力
( Outlet pressure )
• 根据几何结构计算
( Calculated from geometry )
使用模拟选项时，需设定换热面积，模块计 算两股物流的出口状态。
HeatX—计算类型
2、详细计算
详细计算只能与核算或模拟选项配合。详细 计算可根据给定的换热器几何结构和流动情况计 算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校 正因子和压降。
使用核算选项时，模块根据设定的换热要求 计算需要的换热面积。
使用模拟选项时，模块根据实际的换热面积 计算两股物流的出口状态。
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)
Case Study—批处理运行（3）
Case Study— 结果查看
案例研究的模拟结果采用文件输 出，不能直接从图形用户界面中查看。 运行完成后，会在工作目录下自动生 成 输 入 (*.inp) 、 状 态 (*.sta) 、 简 汇 (*.sum)和输出(*.out) 四个文本文件， 结果数据在*.out文件中，可用文本编 辑软件打开查看和编辑。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
反应器设计讲义-070212
第一节、绪论一、反应器设计的重要性、目标及任务1、重要性我们知道，化学反应是反应过程的主体，而反应装置是实现这种反应的客观环境。
化学反应总是在一定的反应器中进行，而反应器的结构、型式和尺寸则对反应物料的流动、混合、传热、传质等方面的条件有所影响。
化学工程职业所特有的某些工作是设计与操作化学反应器，以求把特定的原料(或反应物)转化成某种可销售的产品。
要完成这些工作，化学工程师必需从多种的设计方案中选择反应器的形式，确定所需的反应器尺寸并规定操作条件。
他们必需具有涉及化学反应的速串、最大可能的转化程度、与化学反应相联系的物理过程的本性以及影响上述各项的参数等方面的知识。
在许多情况下，常用的化学反应器中涉及的物理过程(如质量传递和热量传递)的速率对以从参加反应物料的性质、流动特性及反应器的结构形态等来适宜地作出估计。
因此研究反应器内这些因素的变化规律，涉及最优化的反应器，就显得尤为重要。
2、研究内容及目标反应器设计的主要任务：选择反应器形式的选择和操作方法、然后根据反应和物料的特点，计算所需要的加料速度、操作条件（温度、压力、组成）以及反应器体积，并以此确定反应器的尺寸，同时还应该考虑经济效益和物环保等方面的要求。
研究反应器内这些因素的影响规律，探求反应器的最大优化和操作时的最佳工况，获得最大经济效益。
若前面介绍的反应动力学研究的是反应器内某个微元点，则反应器设计研究的是体。
一、反应器的常见类型按反应器操作温度：等温和非等温按反应器形状：1、管式反应器（1）L/D较大，中空，不放置任何构件、（2）适用于均相反应，例：轻油裂解制乙烯、石油馏分裂化、氧化反应等2、釜式反应器（1）L=D或L/D＝2～3；内有搅拌装置，挡板或有换热器（2）应用广泛、均相、多相反应（汽液、液液、液固、气固液等）。
如酯化、硝化、磺化、氯化等、聚合、生化反应等）3、塔式反应器（1）L/D较大，内有填料、筛板等，常见的有板式塔、填料塔、鼓泡塔（气体以气泡通过液相）、喷雾塔（液体成雾状分散于气体）（2）主要应用于两相流反应。
固定床反应器仿真操作单元
固定床反应器仿真操作单元《反应过程与技术》仿真操作指导书周波辽宁⽯化职业技术学院⽯油化⼯系固定床反应器仿真操作单元（加氢装置）⼀.⼯艺流程说明本流程为利⽤催化加氢脱⼄炔的⼯艺。
⼄炔是通过等温加氢反应器除掉的,反应器温度由壳侧中冷剂温度控制。
主反应为：nC2H2＋2nH2→（C2H6）n，该反应是放热反应。
每克⼄炔反应后放出热量约为34000千卡。
温度超过66℃时有副反应为：2nC2H4→（C4H8）n，该反应也是放热反应。
冷却介质为液态丁烷，通过丁烷蒸发带⾛反应器中的热量，丁烷蒸汽通过冷却⽔冷凝。
反应原料分两股,⼀股为约-15℃的以C2为主的烃原料,进料量由流量控制器FIC1425控制;另⼀股为H2与CH4的混合⽓,温度约10℃,进料量由流量控制器FIC1427控制。
FIC1425与FIC1427为⽐值控制,两股原料按⼀定⽐例在管线中混合后经原料⽓/反应⽓换热器(EH-423)预热,再经原料预热器(EH-424)预热到38℃,进⼊固定床反应器(ER-424A/B)。
预热温度由温度控制器TIC1466通过调节预热器EH-424加热蒸汽(S3)的流量来控制。
ER-424A/B中的反应原料在2.523MPa、44℃下反应⽣成C2H6。
当温度过⾼时会发⽣C2H4聚合⽣成C4H8的副反应。
反应器中的热量由反应器壳侧循环的加压C4冷剂蒸发带⾛。
C4蒸汽在⽔冷器EH-429中由冷却⽔冷凝,⽽C4冷剂的压⼒由压⼒控制器PIC-1426通过调节C4蒸汽冷凝回流量来控制,从⽽保持C4冷剂的温度。
本单元复杂控制回路说明：FFI1427:为⼀⽐值调节器。
根据FIC1425（以C2为主的烃原料）的流量，按⼀定的⽐例，相适应的调整FIC1427（H2）的流量。
⽐值调节：⼯业上为了保持两种或两种以上物料的⽐例为⼀定值的调节叫⽐值调节。
对于⽐值调节系统，⾸先是要明确那种物料是主物料，⽽另⼀种物料按主物料来配⽐。
在本单元中，FIC1425（以C2为主的烃原料）为主物料，⽽FIC1427（H2）的量是随主物料（C2为主的烃原料）的量的变化⽽改变。