微机化工应用：Rstoic-化学计量反应器

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1、反应器模拟与优化反应器模拟与优化1. 生成能力类反应器生成能力类反应器(以物料平衡为基础以物料平衡为基础)化学计量反应器化学计量反应器 (RStoic)产率反应器产率反应器 (RYield)2. 平衡类反应器平衡类反应器(以反应平衡为基础以反应平衡为基础)平衡反应器平衡反应器 (REquil)吉布斯反应器吉布斯反应器 (RGibbs)3. 动力学类反应器动力学类反应器(以动力学为基础以动力学为基础)全混流反应器全混流反应器 (RCSTR)平推流反应器平推流反应器 (RPlug)间歇式反应器间歇式反应器 (RBatch)12化学反应器是整个化工工艺流程的核心，化学反应器是整个化工工艺流程的核心，

2、是实现化学物质转化的必要工序。是实现化学物质转化的必要工序。3为保证目的产品组分的产率和选择性，必为保证目的产品组分的产率和选择性，必须选择适宜的反应器类型和反应器网络。须选择适宜的反应器类型和反应器网络。PFRC STRC STRPFRPFRC STRC STRPFR4本讲目的熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型以熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型以及它们在过程模拟中的应用；及它们在过程模拟中的应用；了解特定的反应过程的特点，选择相适应的了解特定的反应过程的特点，选择相适应的反应器类型或反应器网络，保证所需产品组反应器类型或反应器网络，保证所需产品组分足够的产率和选择性。分足够的产率和选择

3、性。5（一）生产能力类反应器（一）生产能力类反应器Rstoic 化学计量反应器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，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。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已知化学反应方程式和每一反应的转化率，不知化学动力学关系。化率，不知化学动力学关系。6Rstoic 化学计量反应器化学计量反应器 模型参数7RStoic 选择性选择性8idealrealAPAPAPS/,P代表选定组分代表选定组分 (selected) P的生

4、成摩尔数；的生成摩尔数；A代表参照组分代表参照组分 (reference) A的消耗摩尔数；的消耗摩尔数；real 代表反应器内的实际情况；代表反应器内的实际情况；ideal 代表只有代表只有AP一个反应发生时的情况。一个反应发生时的情况。RStoic计算例计算例1922244HCOO2HCH 10（一）生产能力类反应器（一）生产能力类反应器RyieldRyield产率反应器产率反应器11性质：根据每一种产品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。产率指的是某种生成物的实际产量与理论产量的比值！RYield

5、模块有五组模型参数：1、模型设定 (Specifications)2、产率 (Yield)3、闪蒸选项 (Flash Options)4、粒度分布 (PSD)5、组分属性 (Component Attr.)12RYield 产率13RYield 例21422244HCOO2HCH（二）热力学平衡类反应器（二）热力学平衡类反应器根据热力学平衡条件计算反应结果，不根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。考虑动力学可行性。15REquil 平衡反应器平衡反应器性质：根据化学反应方程式进行反应，按照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，并同时达到化学平衡关系式达到化学

6、平衡，并同时达到相平衡。相平衡。用途：已知反应历程和平衡反应的反应方程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。学平衡和相平衡的结果。16REquil 模型参数模型参数模块有四组模型参数：模块有四组模型参数：17：1、操作条件操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力；压力； (2) 温度温度/蒸汽分率蒸汽分率/热负荷热负荷 2、有效相态有效相态 (Valid Phases) 汽汽 / 液液 / 固固 / 汽汽-液液 / 汽汽-液液-液液 / 液液-游离水游离水 / 汽汽-液液-游

7、离水游离水18KRTGln2lnRTHdTKdR(标准状态下）（其它温度下）化学平衡常数化学平衡常数19吉布斯自由能的变化范特霍夫方程REquil 由Gibbs 自由能计算平衡常数。你能够通过下列之一限制平衡：（1）任何反应的摩尔程度（2）化学平衡接近温度对任何反应T=Treaction - T (吸热反应）T=TReaction+T (放热反应）接近温度如果你规定接近温度T ，则REquil 估计在T+T时的化学平衡常数。这里的 T 是反应温度（规定的或计算的）。2021甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：2243HCOOHCH原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔

8、比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 4，流量，流量为为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为行，系统总压为0.1013 MPa，温度为，温度为750 ，当反应器出口处达到平衡时，当反应器出口处达到平衡时，CO2和和H2的产量的产量是多少？反应热负荷是多少？是多少？反应热负荷是多少？ 222HCOOHCO22 RGibbsRGibbs吉布斯反应器性质：性质：根据系统的根据系统的GibbsGibbs自由能趋于最小值的原则，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计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布。分布

9、。用途：用途：已知（或未知）化学反应式，不知道反应历已知（或未知）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。平衡结果。23 对单相系统，规定对单相系统，规定T和和P下的总吉布斯能由下式下的总吉布斯能由下式给出给出: 式中式中Ni和和 分别是平衡混合物中组分分别是平衡混合物中组分i的摩尔数的摩尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能由化学反应产生的组分。由化学反应产生的组分。在受原子衡算约束的在受原子衡算约束的条件下，条件下，总吉布斯能对总吉布斯能对Ni最小化。这种方法容最

10、小化。这种方法容易推广到多相系统。易推广到多相系统。CiiiGNG124iG25在恒温恒压且无非体积功的条件下，自发过程总是向着吉布斯函数减少的方向进行，直至系统的吉布斯函数不再改变(dG0)，或者减少到该条件下的最小值时，系统便处于平衡态。26有三种选择：有三种选择：27282930有两种选择：有两种选择：31RGibbs 指定物流（2）323334RGibbs 限制平衡限制平衡有两种选择：有两种选择：35RGibbs 限制平衡限制平衡 (2)36RGibbs 限制平衡限制平衡 (3)2、指定各个化学反应平衡温差、指定各个化学反应平衡温差37 RGibbs 例例4甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转

11、化反应为：甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：2243HCOOHCH原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为1 4，流量为，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为为0.1013 MPa，温度为，温度为750 ，当反应器出口处达到，当反应器出口处达到平衡时，平衡时，CO2和和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？的产量是多少？反应热负荷是多少？与与Re的结果进行比较。的结果进行比较。 222HCOOHCO38Gibbs反应器的评价反应器的评价优点：优点：1)可避免写出化学计量方程的必要性（只需要可避免写出

12、化学计量方程的必要性（只需要规定可能的产物）规定可能的产物）2)容易构造多相和同时存在相平衡的计算问题容易构造多相和同时存在相平衡的计算问题缺点：缺点： 可能产生不正确的结果，因为它们隐含动力学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。上不可能的反应。39（三）化学动力学类反应器（三）化学动力学类反应器转化率和平衡反应器模型在过程设计的初期进行转化率和平衡反应器模型在过程设计的初期进行物料和能量衡算研究时是有用的。但是，最终反物料和能量衡算研究时是有用的。但是，最终反应器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获应器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获得化学动力学的相关数据的基础上

13、即可进行反应得化学动力学的相关数据的基础上即可进行反应器结构和大小的设计。器结构和大小的设计。401、全混釜反应器、全混釜反应器 Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反应器、平推流反应器Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器、间歇釜反应器Batch Reactor根据化学动力学计算反应结果根据化学动力学计算反应结果41CSTR 全混釜反应器全混釜反应器最简单的动力学反应器模型是最简单的动力学反应器模型是CSTR（连续搅拌（连续搅拌釜式反应器），在该模型中反应器内物料假定为釜式反应器），在该模型中反应器内物料假定为理想混合。于是，假定整个反应器体积

14、的组成和理想混合。于是，假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度。温度。42性质：性质：釜内达到理想混合。可模拟单相、两釜内达到理想混合。可模拟单相、两相的体系。可同时处理动力学控制和平衡控相的体系。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。制两类反应。用途：用途：已知化学反应式、动力学方程和平衡已知化学反应式、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，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。以及反应器热负荷。CSTR 全混釜反应器全混釜反应器43RCSTR模块有两组模型参数：模块有两组模型参数

15、：1、操作条件操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力压力 (Pressure) 2) 温度温度/热负荷热负荷(Temperature/Heat Duty)2、持料状态持料状态 (Holdup) 1) 有效相态有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式设定方式 (Specification Type)44CSTR设计方程设计方程物料衡算方程物料衡算方程能量衡算方程能量衡算方程 00nARAAvCTkVCCq 00TTUACTkVHTTcqcRnARPv45 0011expTTREnTTk动力学因子：4647Design Specification 设计规定

16、设计规定（2）48Design Specification 设计规定设计规定（3）49Design Specification 设计规定设计规定（4）50Design Specification 设计规定设计规定（5）5152Design Specification 设计规定设计规定（7）53Design Specification 设计规定设计规定（8）54Design Specification 设计规定设计规定（9）55Design Specification 设计规定设计规定（10）56RPlug 平推流反应器平推流反应器在在PFR反应器中如活塞流动的流体的组成沿反应反应器中如活塞流动

17、的流体的组成沿反应器长度逐渐变化，但不存在径向组成或浓度梯度。器长度逐渐变化，但不存在径向组成或浓度梯度。而且，径向的质量和热量传递可忽略而且，径向的质量和热量传递可忽略PFR内的流体完全不混合，所有流体微元在反应内的流体完全不混合，所有流体微元在反应器中具有相同的停留时间器中具有相同的停留时间 57RPlug 平推流反应器平推流反应器性质：性质：反应器内完全没有返混。可模拟换热反应器内完全没有返混。可模拟换热夹套。夹套。用途：用途：已知化学反应式和动力学方程，计算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，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。以及

18、反应器热负荷。58模块有四组模型参数：模块有四组模型参数：59RPlug 模型设定模型设定1、指定温度的反应器、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度：有三种方式设定操作温度：1) 进料温度下的恒温进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature)2) 指定反应器温度指定反应器温度 (Constant at specified reactor temperature)3) 温度剖形温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长度的温，指定沿反应器长度的温度分布度分布6

19、02、绝热反应器、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。即可。61623、恒定冷却剂温度的反应器、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件栏中；在操作条件栏中设定传热系数设定传热系数(U coolant-process stream)和冷却剂和冷却剂温度温度(Coolant temperature)。 (Reactor with co-current coolant) (Reactor with

20、 counter-current coolant)636465RPlug 计算计算 例例5反应器长反应器长5米、内径米、内径0.5米，压降可忽略。加料为丁二米，压降可忽略。加料为丁二烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为烯和乙烯的等摩尔常压混合物，温度为440 C。如果。如果反应在绝热条件下进行，试求环己烯的产量。反应在绝热条件下进行，试求环己烯的产量。(C)(B)(A)HCHCHC1064264smkmolCkCrBAA3/skmolmRTkmolJk/1015. 1exp1016. 338766性质：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

21、过程的连接。用途：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。6768RBatch 模块有六组模型参数：模块有六组模型参数：1、模型设定、模型设定 (Specifications)2、化学反应、化学反应 (Reactions)3、停止判据、停止判据 (Stop Criteria)4、操作时间、操作时间 (Operation Time)5、连续加料、连续加料 (Continuous Feeds)6、控制器、控制器 (Controllers)69：反应器操作设定反应器操作设定 (Reactor Operating Specification) 有六

22、个选项供选择：有六个选项供选择：1、恒温、恒温 (Constant Temperature)2、温度剖形、温度剖形 (Temperature Profiles)3、恒定热负荷、恒定热负荷 (Constant Heat Duty)4、热负荷剖形、热负荷剖形 (Heat Duty Profile)5、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度 (Constant Coolant Temperature)6、传热用户子程序、传热用户子程序 (Heat Transfer User Subroutine)压力设定压力设定 (Pressure Specification) 有三个选项供选择：有三个选项供选择：1、指定

23、反应器压力、指定反应器压力 (Specify Reactor Pressure)2、指定压力剖形、指定压力剖形 (Specify Reactor Pressure Profile)3、计算反应器压力、计算反应器压力 (Calculate Reactor Pressure)70：1. 序号；序号；2. 位置：反应器，排气收集器，排气；位置：反应器，排气收集器，排气；3. 变量类型，如时间、转化率、温度、压力、体变量类型，如时间、转化率、温度、压力、体积、组成、流量、物性等；积、组成、流量、物性等；4. 停止值，即变量达到该值时就停止釜内操作；停止值，即变量达到该值时就停止釜内操作；5. 组分，与转化率、组成等变量配合使用；组分，与转化率、组成等变量配合使用；6. 子流股类别，有子流股时使用；子流股类别，有子流股时使用；7. 物性集物性集ID,变量为物性时使用；变量为物性时使用；8. 趋近方向，即变量值是从大或小的方向趋近停趋近方向，即变量值是从大或小的方向趋近停止值。止值。71727374