全混流反应器模拟[1]
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化工流程模拟实训AspenPlus教程第8章反应器单元模拟
8.3 化学计量反应器RStoic
1、模型设定(Specifications)
包括操作条件和有效相态。
8.3 化学计量反应器RStoic
2、化学反应(Reactions)
需要规定在反应器中发生的所有反应。
8.3 化学计量反应器RStoic
定义每个反应时，必须规定化学计量系数，并分别指定每 一个反应的转化率或产品流率。
在气-固相催化反应中，由于实验反应器与工业反应器 中催化剂的填充方式不同，一般按单位质量催化剂来计 算反应速率便于换算到工业反应器中的反应速率。
8.1 反应器基础知识——基本概念
其它定义
液空速：反应混合物以液体进入反应器，常以25℃下液体 示空速。 湿空速：如果气体混合物有水蒸气。 干空速：不计水蒸气时的空速。 空间速度：是单位反应体积所能处理的反应混合物的体积
流反应器
模拟间歇式或半间 带反应速率控制的单相、两相或三相间歇
歇式反应器
和半间歇的反应器
8.3 化学计量反应器RStoic
按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，有 平行反应和串联反应两种方式。
用于模拟化学平衡数据和动力学数据未知或不重 要的反应器，还可以计算产品的选择性和反应热。
8.3 化学计量反应器RStoic
生成，选择性会大于1； 如果所选择的组分在其它反应中消耗，选择性
可能会小于0。
8.3 化学计量反应器RStoic
5、粒度分布和组分属性
当反应生成固体或固体改变时，可以分别在 Attr.页面和PSD页面规定组分属性和粒子的尺 寸分布。
8.3 化学计量反应器RStoic
例8.1 用化学计量反应器RStoic模拟1-丁烯的异构化 反应，涉及到的反应及转化率如下表所示。进料温度 为16℃，压力为196kPa，进料中正丁烷（NBUTANE）、1-丁烯（1-BUTENE）、顺-2-丁烯 （CIS-2BUT）、反-2-丁烯（TR-2BUT）、异丁烯 （ISOBUT）的流率分别为35000kg/hr、 10000kg/hr、4500kg/hr、6800kg/hr、1450kg/hr， 反应器的温度为400℃，压力为196kPa。物性方法选 用RK-SOAVE。
停留时间分布与反应器的流动模型
重点：停留时间分布的实验测定； 两种理想流动反应器的停留时间分布。
难点：流动系统物料停留时间分布的意义极其数学表达式 返混的概念
新乡学院
《反应工程》
停留时间分布与 反应器的流动模型
5.1 停留时间分布
一、 概述
活塞流和全混流反应器中流体流动可分别采用活塞流
与全混流模型描述，反应器内流动状况的不同对反应有十
2. 返混的概念； 3. 反应器偏离理想流动的原因； 4. 多釜串联、轴向扩散模型和离析流模型的物理意
义和建立数学模型的基本思路，能根据实验测定
的反应器停留时间分布数据来确定模型参数。
新乡学院
《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
了解：流体的微观混合与宏观混合及流体的混合态时对流
动反应器转化率的影响。
说，一定的返混必然会造成确定的停留时间分布，但是
同样的停留时间分布可以是不同的返混所造成，所以停
留时间与返混之间不一定存在对应的关系。因此，不能
直接把测定的停留时间分布用于描述返混的程度，而要
借助于模型方法。
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《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
模型法：通过对复杂的实际过程的分析，进行合理的简化
《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
dFtEtdt
Ft0tEtdt
停留时间分布函数F(t)— 停留时间小于t的流体粒子 所占的分率
无Ft0tdN N0tEtdt
量 纲
t=0时， F00
Et dFt
dt
t=∞时，F 0Etdt1
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《反应工程》
停留时间分布与反 应器的流动模型
平均停留时间：t V r Q
第3讲 ASPEN PLUS 反应器的模拟与优化(2)
RStoic —— 选择性（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)
进料流股的温度为16℃，压力为1.9 atm，进料组成如下表所示：
Mass Flow（kg/hr） Component n-丁烷（n-Butane） 1-丁烯（1-Butene） Cis-2-丁烯（Cis-2-Butene） Trans-2-丁烯（Trans-2-Butane） 异丁烯（Isobutene） 35000 10000 4500 6800 1450
Gibbs反应器的评价
1)
优点：
可避免写出化学计量方程的必要性（只 需要规定可能的产物） 容易构造多相和同时存在相平衡的计算 问题
2)
缺点：
可能产生不正确的结果，因为它们隐含 动力学上不可能的反应。
RStoic —— 选择性
如果要计算对于选定组分的选择性，其 定义为：
[ Δ P / Δ A ]real S P,A = [ΔP / ΔA]ideal
△P代表选定组分 (selected) P的生成摩尔数； △A代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数； r eal 代表反应器内的实际情况； real ideal 代表只有 A→P 一个反应发生时的情况。
有两种选择：
1、 设定整个系统的平衡温差 、设定整个系统的平衡温差
反应器内流体流动与混合非理想流动
F ( ) 1 e
1 e
上述两表达式中已不包含 τ，故与全混流容
器的大小及流量无关，其分布曲线见图 。
E(t) 1/τ
F(t) 1.0
0
t
0
t
全混流的E(t)、F(t) 函数曲线
全混流的平均停留时间
t tE (t )dt t e dt
应器的管径较小、较长，物料在其中的流
速较快时，返混程度很小，此时可近似按
平推流进行分析与设计。
平推流反应器中所有物料质点的停留时间
都相同，且等于整个物料的平均停留时间。
采用脉冲示踪法测定平推流的停留时间分
布密度函数 E(t)
C(t)
C0 E(t)
t=0
t=0 t=0
t t tt
激励曲线
t
停留时间分布积累函数（阶跃示踪时）
C (t ) t / F (t ) 1 e C0
停留时间分布密度函数
dF (t ) 1 t / E (t ) e dt
无因次时间表示的停留时间分布函数
E ( ) E (t )
t
1
e
t
e
同样的停留时间分布可以是不同的返混造 成的。 不能直接用测定的停留时间分布来描述返 混的程度，必须借助于模型方法。
数学模型方法
分析器内复杂的实际流动状况，进行
合理的简化，通过数学方法来表述或关联 返混与停留时间分布的定量关系，然后再 进行求解。
建立流动模型的基本思想： 根据实测的停留时间分布，假设一种流动 状态，令这种流动状态下的停留时间分布 与实测结果一致，并根据假设的流动状态 的模型参数，结合在其中进行反应的特征
第二章 理想流动与非理想流动1
第二章
理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率， 直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混 的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同 年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后 者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型， 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算，基本式为 （带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的 累积）十（传向环境的热量） （2-2） 式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。
理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率， 直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混 的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同 年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后 者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型， 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算，基本式为 （带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的 累积）十（传向环境的热量） （2-2） 式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。
平推流模型
降低； 降低； 低；
大，φ 减增大，大； 大，φ 大，ξ
n 1，，φ与x无 关，φ 变。
F（t）流过反应器的物料中停留时间小于 t 的质点的分率
Q Q
R
C
反应器的多态 根据不同的操作参数，QR 与 QC 的交点可能有三个、两个、或一个，这 种有多个交点的现象。 平推流模型 亦称活塞流模型或理想置换模型。是一种返混量为零的理想流动模型，它 假设反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动。 特点： A、沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化。 B、垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参数，如浓度、温度、压力、流速相同。 C、所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌釜（槽）式反应器模型。是一种返混程度为无 穷大的理想化流动模型。它假定反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入反 应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。 特点： A、反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀相等； B、反应器内所有物料参数与反应器出口处的物料参数相同； C、物料质点在反应器中的停留时间不相等，有的很长， 有的很短，形成一个停留时间分 布。返混极大。 气－固相催化反应步骤 ①反应物从气流主体扩散到催化剂的外表面（外扩散过程） ②反应物进一步向催化剂的微孔内扩散进去（内扩散过程） ③反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程） ④吸附的反应物转化成反应的生成物（表面反应过程） ⑤反应生成物从催化剂表面上脱附下来（脱附过程） ⑥脱附下来的生成物分子从微孔内向外扩散到催化剂外表面处（内扩散过程） ⑦生成物分子从催化剂外表面扩散到主流气流中被带走（外扩散过程） 流－固相催化反应步骤 ①流体反应物由扩散通过流体膜到达颗粒外表面（外扩散过程） ②流体反应物由颗粒外表面通过固体产物层扩散到收缩未反应芯表面（内扩散过程） ③流体反应物和固相反应物在收缩未反应芯表面上进行反应（表面化学反应过程） ④流体产物通过固体产物层扩散到达颗粒外表面（内扩散过程） ⑤流体产物由颗粒外表面扩散到流体主体（外扩散过程） 多重反应的选择率 ①温度效应
[化学反应工程原理]第十章__停留时间分布-数学期望及方差
即
F(t) 0 E(t)dt
显然，t＝0时，F(t)＝0；
t＝∞， F(t)＝1。
F(t)与E(t)的关系为：
dF (t) E(t) dt
右图为F(t)与E(t)的曲线。
三、停留时间分布的测定方法
➢采用刺激应答技术，又称示踪法，即在反应器的进 口加入某种示踪物，同时在出口测定示踪物浓度等 的变化，确定流经反应器中物料的停留时间分布。
tE(ti )ti E(ti )ti
➢若读取实验数据时时间间隔∆t相等，则上式可简化为：
tm
tE(t) E(t)
2. 方差
➢方差描述物料质点各停留时间与平均停留时间的偏离程度，
即停留时间分布的离散程度。
➢定义为：各个物料质点停留时间t与平均停留时间 t差m 的
平方的加权平均值。
方差越小，越接近平推流；
➢测定时利用示踪物的光、电、化学或放射等特性。 示踪物除具有上述特性外，还需要具有不挥发、不吸 收、易溶于主流体，在很小的浓度下也能检测出的特 性。 ➢示踪物的输入方式主要有脉冲法和阶跃法。
示踪剂的选取原则
➢示踪剂不应与主流体发生反应； ➢除了显著区别于主流体的某一可检测性质外，
示踪剂应和主流体应尽可能具有相同的物理性 质，且两者易于溶为一体； ➢示踪剂浓度很低时也能够检测到信号； ➢用于多相系统检测的示踪剂不发生相间的转移； ➢示踪剂本身应具有或易于转变为电信号或光信 号的特点。
C(t)dt
0
C(t)dt
0
dF(t) dC(t)
E(t)
dt C0dt
可直接测得
四、停留时间分布的数字特征
研究不同流型的停留时间分布，通常是比较它们的统计特征
值。常用的特征值有两个：
精解全混流反应器热衡算
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第 ｌ 卷 第 １ 期 ９ １
２０ 年 １ 月 ０２ １
精 细 化 工
ＦＩ ＮＥ ＣＨＥＭ Ｉ ＣＡＬＳ
Ｖｏ ． ９． ｏ １ １１ Ｎ ． １ Ｎ Ｖ Ｏ ．２ ０ ０ ２
其他
精解全 混流 反应器热衡算
孙 竹 范’孙 碧 瑶 白皓 然 ， ，
成、 度） 温 一定 ， Ｃ 可 准 确 计 算 ， 际 上 由 于 比 热 故 实
收 稿 日期 ：０ ２— ４—１ ２０ ０ １
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第 １ 期 １
孙 竹范 ， ： 等 精解 全混流反 应器热衡算
・７ ６ ３・
热 力学 方 法 计算 。
（ 】 ＡＨ ０Ａ ｏ
围内 的 平 均 值 。 因 为 混 合 物 的 状 态 （ 出 口 的组 即
见 乃 至误 解 。
定 带来 ２个 结 果 ： （ｉ） 假 定 本 身 有 时 就 靠 不 住 ， 此
理 论 上反 应 物与 生 成 物 热 容 是 不 同 的 ， 随 温 度 而 且 变 。 （ ｉ 这 一 假 定 使 得 公 式 成 为 近 似 关 系式 。难 ｉ） 道假 定 及 由此 引起 的近似 是 必须 的吗 ？ 为解 答 上述 ２个 问题 ， 必要 追 根溯 源 ， 有 进行 热
反应 物 系在 流 动 中进 行 化 学 反 应 ， 物 系温 度 其 及组 成 是 变 化 的 ， 应 地 反 应 焓 变 △ 以及 等 压 比 相 热 容 Ｃ 也 将 随之 变 化 。物 系参 数 随 反应 而 多变 ， 决 定 了有 反 应 的热 过 程 比没 有反 应 的热 过 程要 复 杂得 多 ， 算起 来 也 困 难 得 多 。 以至 于 对 热 衡 算 屡 有 歧 计
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２０ 年 １ 月 ０２ １
精 细 化 工
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成、 度） 温 一定 ， Ｃ 可 准 确 计 算 ， 际 上 由 于 比 热 故 实
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第 １ 期 １
孙 竹范 ， ： 等 精解 全混流反 应器热衡算
・７ ６ ３・
热 力学 方 法 计算 。
（ 】 ＡＨ ０Ａ ｏ
围内 的 平 均 值 。 因 为 混 合 物 的 状 态 （ 出 口 的组 即
见 乃 至误 解 。
定 带来 ２个 结 果 ： （ｉ） 假 定 本 身 有 时 就 靠 不 住 ， 此
理 论 上反 应 物与 生 成 物 热 容 是 不 同 的 ， 随 温 度 而 且 变 。 （ ｉ 这 一 假 定 使 得 公 式 成 为 近 似 关 系式 。难 ｉ） 道假 定 及 由此 引起 的近似 是 必须 的吗 ？ 为解 答 上述 ２个 问题 ， 必要 追 根溯 源 ， 有 进行 热
反应 物 系在 流 动 中进 行 化 学 反 应 ， 物 系温 度 其 及组 成 是 变 化 的 ， 应 地 反 应 焓 变 △ 以及 等 压 比 相 热 容 Ｃ 也 将 随之 变 化 。物 系参 数 随 反应 而 多变 ， 决 定 了有 反 应 的热 过 程 比没 有反 应 的热 过 程要 复 杂得 多 ， 算起 来 也 困 难 得 多 。 以至 于 对 热 衡 算 屡 有 歧 计
第三章化学反应器中的混合现象全解
Chemical Reaction Engineering
• 混合是化学反应器中普遍存在的一种传递过 程，混合的作用是使反应器中物料的组成和 温度趋于均匀，不同的混合机理和混合程度 对反应结果（转化率和选择性）往往具有重 要的影响。
• 反应器中发生的混合现象是十分复杂的。对 反应器中的混合现象进行如实的描述和分析 非常困难。对实际过程进行简化，借助各种 理想化的模型去分析混合对反应过程的影响 依然是必要的。
Chemical Reaction Engineering
聚集状态
反应物系的聚集状态指进入反应器的不同物料微团间进行的物 质交换所能达到的程度以及在反应器微元尺度上所能达到的物 料组成的均匀程度。 反应物系的聚集状态有两种极限： ● 微观流体 ：一种是不同物料微团间 能进行充分的物质交换 , 从而在反应器微元尺度上能达到分子尺度的均匀 , 这类物系称
• 返混指不同时间进入反应器的物料之间 发生的混合, 是连续流动反应器才具有
的一种传递现象， 可通过PFR和CSTR
这两种理想流动反应器的性能比较来考 察返混的利弊。
Plug Flow Reactor PFR Continuous Stirred Tank Reactor CSTR
Chemical Reaction Engineering
返混对复杂反应选择性的影响
分析
1
对简单反应, 返混仅仅影响反应速率。而对复杂反应, 返混对产 物选择性也有影响。
●平行反应
反应的瞬时选择性为：
R 主反应
A
2
S
副反应
☆当主反应级数n1高于＞副反应的n2时，CA↑，S↑ →PFR的选择性高于CSTR (CA小） 。 ☆当n2 ＞n1时，则相反。
• 混合是化学反应器中普遍存在的一种传递过 程，混合的作用是使反应器中物料的组成和 温度趋于均匀，不同的混合机理和混合程度 对反应结果（转化率和选择性）往往具有重 要的影响。
• 反应器中发生的混合现象是十分复杂的。对 反应器中的混合现象进行如实的描述和分析 非常困难。对实际过程进行简化，借助各种 理想化的模型去分析混合对反应过程的影响 依然是必要的。
Chemical Reaction Engineering
聚集状态
反应物系的聚集状态指进入反应器的不同物料微团间进行的物 质交换所能达到的程度以及在反应器微元尺度上所能达到的物 料组成的均匀程度。 反应物系的聚集状态有两种极限： ● 微观流体 ：一种是不同物料微团间 能进行充分的物质交换 , 从而在反应器微元尺度上能达到分子尺度的均匀 , 这类物系称
• 返混指不同时间进入反应器的物料之间 发生的混合, 是连续流动反应器才具有
的一种传递现象， 可通过PFR和CSTR
这两种理想流动反应器的性能比较来考 察返混的利弊。
Plug Flow Reactor PFR Continuous Stirred Tank Reactor CSTR
Chemical Reaction Engineering
返混对复杂反应选择性的影响
分析
1
对简单反应, 返混仅仅影响反应速率。而对复杂反应, 返混对产 物选择性也有影响。
●平行反应
反应的瞬时选择性为：
R 主反应
A
2
S
副反应
☆当主反应级数n1高于＞副反应的n2时，CA↑，S↑ →PFR的选择性高于CSTR (CA小） 。 ☆当n2 ＞n1时，则相反。
反应过程与设备例题与习题(第三章)
第三章非理想流动一、主要基本理论、基本概念1.停留时间：物料质点从进入反应器开始，到离开为止，在反应器中总共停留的时间。
2.平均停留时间：整个物料在反应器内平均停留的时间。
3.停留时间分布密度函数E(t)同时进入反应器的N 个流体质点中，停留时间介于t 与t+dt 之间的质点所占的分率dN/N 为E(t)dt 。
1)(0=⎰∞dt t E4.停留时间分布函数F(t)流过反应器的物料中停留时间小于t 的质点(或停留时间介于0～t 之间的质点)分率。
⎰=tdt t E t F 0)()(5.停留时间分布的数字特征 ① 数 学期 望 t =⎰⎰∞∞0)()(dtt E dt t tE② 方 差2t σ=⎰⎰∞∞-02)()()(dtt E dtt E t t③ 无因次方差22//t tt t θσσθ==6.停留时间分布的实验方法及对应曲线 ① 脉冲示踪 E(t) 曲线 ② 阶跃示踪 F(t) 曲线 ③ 无因次化 /()()()()t tE tE tF F t θθθ===7.理想流动模型的停留时间分布① 平推流 001()()1t t E t E t t θθθ≠≠⎧⎧==⎨⎨∞=∞=⎩⎩ 001()()111t t F t F t tθθθ〈〈⎧⎧==⎨⎨≥≥⎩⎩2210t t θτθσσ====② 全混流 ()1/exp(/)()E t t t t E e θθ-=-=()1exp(/)()1F t t t F e θθ-=--=-2/1t t tθτθσ===8.非理想流动模型的停留时间分布①扩散模型：是在平推流模型的基础上再迭加一个轴向扩散的校正，模型参数是轴向扩散系数Ｄl （或P e 数），停留时间分布可表示为Ｄl 的函数。
适用于返混不大的系统。
Pe >100时: θ=1 22/2/t t Pe θσσ==闭 式: θ=1222/2/(1)Pe Pe Pe e θσ-=--②多级串联全混流模型：是用m 个等体积的全混流模型串联来模拟实际反应器。