第5章 反应器单元模拟
第五章 生化反应器的比拟放大 ppt课件
2020/10/18
• 整理出: • (VVM)=
• (VVM) ∝
标准状态
Vs1 PLD2
m3/ m3·min
27465.6 VL(273+t)
Vs1 PLD2
VL
下面讨论三种空气流量的放大方法 :
(1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大：
(vvm)1=(vvm)2
Vs∝(vvm)VL/PD2 ∝ (vvm)D/P
2020/10/18
（3）以 KLa 值相同的原则放大
• Kd=(2.36+3.30Ni) · (Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9
• 式中有Pg、N等未定参数。 • 可考虑用其它经验式，如
Q
• Kla ∝（ VL ） （HL）2/3
• 最（后V推VM导）出2：
=
（ D 1） 2/3
P1
VVm相同
1
1
1
3.33
Vs相同
1
0.3
1
1
KLa相同
2020/10/18
1
0.513
1
1.71
放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值
放大判据
VVm
Vs值
放大前 放大后 放大前 放大后
VVm相同
1
1
1
3.33
Vs相同
1
0.3
1
1
KLa相同
1
0.513
1
1.71
• 若以VVm 相同原则放大，放大125倍后，Vs增加了
3.33倍，因气速太大，跑料可能严重，还容易使搅拌 器处于被空气所包围的状态，不能加强气液接触和搅 拌液体的作用。若以Vs相同方法进行放大 ，则VVm值 在放大后仅为放大前的30%。此值又过低。因此人们
4月22日单元5 任务3 气固流化床反应器仿真操作
新课讲解用以回收被气体带走的催化剂；底部设置原料进口管和气体分布板；中部为反应段，装有冷却水管和导向挡板，用以控制反应温度和改善气固接触条件1理论提升流化床反应器工作原理流化床反应器是一种有固体颗粒参与的反应器，这些颗粒系处于运动状态，且其运动方向多种多样，这是与固定床反应器的不同之处。
流化床反应器内流体与固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体，故又称沸腾床反应器。
这种床层具有与液体相类似的性质，又叫假液化层。
称散式流化；而在气-固流化系统中，若颗粒很细，则在气速超过Umt后，床层尚能继续均匀膨胀，只在气速进一步增大到起始鼓泡气速Umb时，才开始出现气泡；若颗粒较粗，一旦气速超过Umf，就出现气泡。
流化床中的气泡部分称气泡相，其余部分称乳相，后者是处于起始鼓泡状况下的气-固混合相。
由于气-固流化床内存在气泡，床内空隙率不匀，床面波动，故称聚式流化，又因鼓泡使床面波动呈沸腾状，故又称沸腾床或鼓泡床。
流化床中的气泡在上升时会发生聚并而增思考回答讨论回答根据结构、工作原理讨论回答根据结构、工作原理培养总结能力。
体会流化床的局限性大，若床径甚小以致被气泡所充塞，气泡就与乳相交替上升，形成节涌床。
若向气速超过带出速度的床中不断补充被带出的物料，则气流会迅速把送入的粒子冲散，并最后把它们带出去。
此时因床层中保持着相当量的物料，湍动剧烈，所以这种状态的流化床称为湍流床。
若气速进一步增高，床内粒子从密集状、絮状到充分分散的各种形态同时并存，这床称为快速（流化）床。
图3上部是几种流化床的示意图，下部相应给出流化床中单位长度压降随流速的变化。
流化床吸附器多用于固体与气体、液体与液体的反应，特点是气体与固体接触相当充分，气流速度比固定床的气速大三四倍以上，所以该工艺强化了生产能力，对于连续性、气量较大的反应过程非常适合。
流化床反应器可用于气固、液固以及气液固催化或非催化反应，是工业生产中较广泛使用的反应器。
典型的例子是催化裂化反应装置，还有一些气固相催化反应，如萘氧化、丙烯氨氧化和丁烯氧化脱氢等也采用此种反应器。
第5章 间歇式反应器05
• 3. 衡算方程 必须在控制体积内进行。 • 物料衡算： • 积累＝进入－流出＋产生－消耗 • 能量衡算： • 积累＝输入－输出＋产生－消耗
5.2 间歇操作搅拌槽式反应器 （BSTR）
• Batch Stired Tank Reactor • 间歇操作搅拌槽式反应器的操作时间系由反应时间和辅助时间 两部分组成。 • 反应时间 tr，即开始进行反应直到达到所要求的反应程度为止 所需要的时间，常以 tr表示，它的大小与该反应的动力学与所 要求的反应程度有关；可通过动力学模型进行计算。， • 辅助操作时间tb，包括装料、灭菌、卸料、清洗等所需时间之 总和，以tb表示。tb是根据生产经验来确定的。 • 间歇搅拌槽式反应器，有两个主要特性：一是在反应进行过程 中无物料的输人和输出；二是反应器内物料充分混合，浓度、 温度均一，而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可 以对整个反应器做物料平衡。
tr
（5－17）
LVR
tr
dCS (1 L )VRrS dt
L C 1 K m ln S 0 CS 1 L rmax
（5－21）
• 对于内扩散阻力可忽略的M－M方程：
• 积分:
L 1 L
X
1 dC CS0 r S
C
S
S
1 C tr L [(CS0 CS ) Km ln S0 1L rmax CS
• 3）大型化生物反应器的开发研究。 生物反应 器正向大型化方向发展。例如：生产抗生素的 发酵罐容积已达400m3，氨基酸的达300m3， 生产单细胞蛋白的气升式发酵罐达2300m3， 处理废水的生化反应器的容积甚至超过 27000m3，国内生物反应器的容积多在200m3 以下。反应器的放大降低了生产成本，但大型 反应器的设计还存在一定的技术问题亟待解决； • 4）特殊要求的新型生物反应器的研制开发。 ）特殊要求的新型生物反应器的研制开发 如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培 养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边 分离反应器等的开发研制。 • 5）反应条件的检测与自动控制。
第五章 停留时间分布与反应器流动模型
第五章停留时间分布与反应器流动模型重点掌握：•停留时间分布的实验测定方法和数据处理。
•理想反应器停留时间分布的数学表达式。
•返混的概念。
•非理想流动模型（离析流模型、多釜串联模型和扩散模型）的模型假定与数学模型建立的基本思路，模型参数的确定。
•利用扩散模型和多釜串联模型的反应器计算。
深入理解：•停留时间分布的概念和数学描述方法。
•停留时间分布的数字特征和物理意义。
广泛了解：•流动反应器中的微观混合与宏观混合及其对反应器性能的影响。
停留时间分布与流动模型对于连续操作的反应器,组成流体的各粒子微团在其中的停留时间长短不一，有的流体微团停留时间很长，有的则瞬间离去，从而形成了停留时间的分布。
正如前面针对理想流动反应器的分析，停留时间分布的差异对反应系统的性能有很大影响，值得进一步深入探讨。
全混流和活塞流模型对应着不同的停留时间分布，是两种极端的情况，实际反应器中的流动状况介于上述两种极端情况之间。
本章将针对一般情况讨论停留时间分布及其应用问题，对于实际反应器的设计与分析非常必要。
具体内容包括：停留时间分布的概念与数学描述停留时间分布的统计分析理想流动反应器的停留时间分布非理想流动现象分析发几种常见的非理想流动模型非理想反应器设计与分析流动反应器中流体的混合及其对反应器性能的影响第一节停留时间分布一、举例说明停留时间及其分布•间歇系统：不存在RTD；•流动系统：存在RTD问题。
可能的原因有：•不均匀的流速（或流速分布）•强制对流•非正常流动-死区、沟流和短路等流动状况对反应的影响釜式和管式反应器中流体的流动状况明显不同，通过前面对釜式和管式反应器的学习，可以发现：•对于单一反应，反应器出口的转化率与器内的流动状况有关；•对于复合反应，反应器出口目的产物的分布与流动状况有关。
二、寿命分布和年龄分布区别在于：前者指反应器出口流出流体的年龄分布，而后者是反应器中流体的年龄分布。
三、系统分类系统有闭式系统和开式系统之分。
化工流程模拟实训：Aspen_Plus教程_第5章流体输送单元模拟
等熵汽轮机 Isentropic Turbine
5.3 压缩机Compr——连接
压缩机是将 机械能转变为 气体能量，用 以给气体增压 或输送的机械 。按增压程度 由低到高又可 以分为通风机 、鼓风机和压 缩机。
5.3 压缩机Compr——连接 Compr 模型的连接图如下：
流率，m3/hr 20
扬程，m
40
10
5
3
250 300 400
5.3 压缩机Compr
Compr 模型用于模拟四种单元设备
多变离心压缩机 Polytropic Centrifugal Compressor
多变正排量压缩机 Polytropic Positive Displacement Compressor
有6种计算模型供选用
计算模型 等熵模型 ASME等熵模型 GPSA等熵模型 ASME多变模型 GPSA多变模型 正排量模型
英文对照 Isentropic Isentropic using ASME method Isentropic using GPSA method Polytropic using ASME method Polytropic using GPSA method Positive displacement
5.3 压缩机Compr——模块参数（2）
选择类型 规定出口条件
等熵效率
多变效率
机械效率
规定效率
5.3 压缩机Compr——效率（1） 等熵效率 Isentropic Efficiency 对于压缩机
对于汽轮机
5.3 压缩机Compr——效率（2）
多变效率
第5章 序贯模块模拟法N
计算步骤：
1）给定进料条件，S1=10；给定分割比，α=0.5
2）调增用加收MI敛X单子元程R序ECY没，法可用产，生循S环4初流值股SS44’未知！ 3）调用MIX(S1,S4’,S2), 可由S1和S4’得到S2 4）调用SPLT(S2,S4’’,S3, α), 可由S2和α计算S4’’和S3 5）调用RECY，对比S4’’与S4’，若不等，则改S4’重算
AA
S1
x
BB
S2
CC
S3
DD
S6
y
“Bx”不是乘，表示单元B的输入流是x “+”不是加, 表示多股输入物流
S2 = Bx : S2是单元B的唯一输出，由S1 ( =x )决定
S5 = C2 ( Bx + y ) S5是C的第2股输出，C有2股输入: S6 (y)和S2 (Bx)
S1 A(D1C1(Bx y) C2 (Bx y)) 完成第一次流程计算
回路B: 单元IS1ⅡS2IIIS5I
回路C: 单元IS1ⅡS2IIIS3ⅣS6I
回路D: 单元ⅡS2IIIS3ⅣS7Ⅱ
S1 S 2 S 3 S 4 S5 S 6 S 7 物流排除进料、
产品及不能构
A
1
1
成回路的物流
B1 1
1
C1 1 1
1
D
11
1
第5章 序贯模块模拟法
第一节 原理 第二节 循环回路的流股断裂
一、最优断裂准则 二、回路矩阵 三、Upadhye-Grens断裂法（II） 第三节 断裂流股变量收敛 一、收敛单元 二、常用迭代法 第四节 用序贯模块模拟法解决设计问题 第五节 序贯模块模拟法流程模拟实例
第5章 序贯模块模拟法
第5章_1 CSTR几种操作模型
根据图5—24可以看出，对两级CSTR相串联时，存在有 DCx2＜DCx1，从这个意义上讲，对串联CSTR，其细胞产率 是很难实现优化设计的。但又很明显存在着Cs2＜Cs1，串联 可以便反应基质利用率进一步提高。但是级数再增加到三级 或四级，所得到的结果与图5—24中Cx2、Cx1相差不大，因 此对提高细胞产量来说采用更多的CSTR串联意义不是很大， 但可以提高细胞的质量。
连续操作的搅拌槽式反应器(CsTR)，其空间—浓度和时 间—浓度分布均是单一值，并且反应器出口浓度与反应器内 的浓度相同。又由于反应器内各微无体具有最大程度的返 混，因而造成各微元体存在着不同的停留时间。 连续操作的活塞流反应器(CPFR)，在空间—浓度分布上 沿着反应器的轴向有一浓度分布，但空间上任一点的浓度却 不随时间而变，并且由于在此反应器内，轴向返混程度为 零，因此所有微元体在反应器内的停留时间均相同。对一恒 容过程，cPFR的浓度—握BSTR与CPFR 的共同特性是非常重要的。
接近于活塞流的反应器是管式反应器，它与传统的搅拌槽式 反应器相比，有许多优点。例如，具有较高的产率，较好的 传热传质性能；容易实现优化控制——程序控温、多点加料 等。因此管式反应器可用于特殊的生化过程，例如对剪切敏 感的组织培养过程、废水处理过程、固定化酶和固定化细胞 的反应过程，以及要求严格控制反应时间的生化过程，例如 灭菌和食品高温消毒等。
在实际应用中，一般最多不超过三级，因为反应器级数愈 多过程复杂性增加，而带来的效益并不明显。 (1)单流多级CSTR串联。对此种操作一般假设： ①一股进料、稳态操作； ②各个CSTR体积相等： ②每一个反应器内为全混流，各反应器之间无返混； ④各反应器操作条件相同，得率为常数。 先以最简单的两级反应器系统为例来进行分析。其中第 一级与单级cSTR相同，而第二级因有细胞的加入，衡算方 程更为复杂。 现做第二级反应器的物料衡算。
化工流程模拟实训：Aspen Plus教程 第5章流体输送单元模拟
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5.2 泵Pump——模块参数（1） 泵Pump模块有5种计算形式
输入参数
输出结果
出口压力（Discharge pressure）
所需功率（Fluid power/Brake power）
压力增量（Pressure increase）
所需功率（Fluid power/Brake power）
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3
5.2 泵Pump
Pump模块用于模拟两种设备
泵（Pump） 泵是把机械能转换成液体的能量，用来给液体
增压和输送液体的流体机械。 水轮机（Turbine）
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动 力机械，它属于流体机械中的透平机械。
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5.2 泵Pump——连接 泵Pump连接示意图
Multi-stage Isentropic Turbine
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5.4 多级压缩机Mcompr——模块参数（1）
MCompr 的模型参数
级数 Number of stages
指定压缩机的级数
压缩机模型 Compressor model
有6种计算模型供选用
计算模型 等熵模型 ASME等熵模型 GPSA等熵模型 ASME多变模型 GPSA多变模型 正排量模型
多级多变压缩机 Multi-stage Polytropic Compressor
多级多变正排量压缩机 Multi-stage Polytropic Positive Displacement
Compressor 多级等熵压缩机
Multi-stage Isentropic Compressor 多级等熵涡轮机
第五章 化学反应器12
第五章化学反应器1.了解反应器的设计基础2.掌握间歇反应器和连续反应器的有关计算3.了解化学反应器的种类和流动特征。
§1.概述一、反应器与反应工程学化学反应工程学——以化学反应器为研究对象的学科，它是使化学反应实现工业化的一门科学。
主要任务：○1、正确选择反应器的型式；○2、合理设计反应器的结构和尺寸；○3、确定最适宜的温度、浓度和流动状态等操作条件。
反应器设计的基本内容：选择合适的反应器类型确定最佳操作条件计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸）最终的目标是经济效益最大(实际上不应该仅仅针对反应系统，应该包括整个过程)基本方程:物料衡算--描述浓度的变化规律对任何反应器系统，其物料衡算可用以下普通式表示：［反应物的加入速度］=［引出反应物的速度］+［由反应而消耗反应物速度］+［反应物积累速度］能量衡算--描述温度的变化规律动量衡算--描述压力的变化情况研究对象：选择最合理、最经济的化学工艺路线，确定最适宜操作条件以及设计和控制反应设备为研究对象。
本章主要介绍反应器的特点，操作原理及其在化工生产中的应用。
二、化学反应器的分类1.按操作方法分类间歇反应器半间歇反应器2.釜式(搅拌反应器)管式(活塞流反应器)物料在轴向没有混合，但组成、温度沿流向而变塔式这种分类法对于反应器的设计很有意义，因为形状相同的反应器其质量和热量传递过程情况相同。
3.按反应混合物的相态分类（同一相态反应，其动力学规律相同）4.按温度条件分类 不等温反应器 绝热反应器注意：同种反应器根据不同分类法可有不同的名称，就是同种的 反应器适当地改变操作也可变成为另一种类型的反应器。
各反应器结构型式、适应相态及其特点见表5-1反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分,可以概括为以下几种类型图：反应器的类型和特点(a)管式反应器(b)规整填料塔反应器(c)喷雾塔式反应器(d)板式塔反应器(e)鼓泡塔反应器(f)气液搅拌釜式反应器(g)移动床反应器(h)循环式浆态反应器(i)半连续浆态床反应器(j)机械搅拌浆态床反应器(k)固定床鼓泡床反应器(l)滴流床反应器基本反应器—间歇操作反应釜、管式反应器、连续操作反应釜。