第六讲反应器单元的仿真设计一_精品文档.pptx

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化工设计软件第六讲,SimulationDesignofChemicalReactors反应器单元的仿真设计

（一）,反应器模块的类别,生产能力类反应器（2种）热力学平衡类反应器（2种）化学动力学类反应器（3种）,分为三大类七种反应器：

反应器模块的类别

（2）,生产能力类反应器,1、化学计量反应器（RStoic）StoichiometricReactor2、产率反应器（RYield）YieldReactor,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。

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。

RStoic化学计量反应器

（2）,RStoic连接,RStoic模型参数,RStoic模块有七组模型参数：

1、模型设定（Specifications）2、化学反应（Reactions）3、燃烧（Combustion）4、反应热（HeatofReaction）5、选择性（Selectivity）6、粒度分布（PSD）7、组分属性（ComponentAttr.）,RStoic模型设定,设定操作条件和有效相态：

1、操作条件（OperationConditions）

（1）压力（Pressure）

（2）温度/热负荷（Temperature/Heatduty）2、有效相态（ValidPhases）汽/液/固/汽-液/汽-液-液/液-游离水/汽-液-游离水,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,设定反应热的计算类型（Calculationtype）和参照条件（Referencecondition）：

1、不计算反应热（Donotcalculateheatofreaction）2、计算反应热（Calculateheatofreaction）3、用户指定反应热（Specifyheatofreaction）,RStoic反应热,RStoic选择性,计算对于选定组分的选择性，其定义为：

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；real代表反应器内的实际情况；ideal代表只有AP一个反应发生时的情况。

RStoic选择性

（2）,RStoic示例

（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：

原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。

若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750，当反应器出口处CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？

反应热负荷是多少？

RStoic示例

（2）,反应和原料同示例

（1），若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013MPa，反应器进口温度为950，当反应器出口处CH4转化率为73%时，反应器出口温度是多少？

RStoic示例（3）,在示例

（1）中增加甲烷部分氧化反应如下式：

并在原料气中加入15kmol/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。

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,RYield模型参数,RYield模块有六组模型参数：

1、模型设定（Specifications）2、产率（Yield）3、闪蒸选项（FlashOptions）4、粒度分布（PSD）5、组分属性（Comp.Attr.）6、组分映射（Comp.Mapping）,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（OperationConditions）

（1）压强；

（2）温度/热负荷/温度改变2、有效相态（ValidPhases）汽/液/固/汽-液/汽-液-液/液-游离水/汽-液-游离水,RYield模型设定

（2）,RYield产率,产率设置有四个选项：

1、组分产率（Componentyields）2、组分映射（Componentmapping）3、石油馏分表征（Petrocharacterization）4、用户子程序（Usersubroutine）,RYield产率

（2）,RYield组分产率,选择组分产率选项时，需指定相对于每一单位质量非惰性进料而言，各种组分在出口物流中的相对产率。

还可以设定进料中的某些组分为不转化为产物的惰性组分（InertComponents）。

RYield组分产率

（2）,RYield组分映射,选择组分映射选项时，需在Comp.Mapping表单中设置各种结合（Lump）反应和分解（De-lump）反应所涉及的组分之间的定量关系。

RYield组分映射

（2）,RYield示例

（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：

原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。

反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750，如果反应器出口物流中摩尔比率CH4H2O:

CO2:

H2等于1:

2:

3:

4时，CO2和H2的产量是多少？

需要移走的反应热负荷是多少？

此结果是否满足总质量平衡？

是否满足元素平衡？

RYield示例

（2）,若在示例

（1）的原料气中加入25kmol/hr氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？

RYield示例（3）,以示例

（2）的结果为基础，在Ryied模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？

热力学平衡类反应器,1、平衡反应器（REquil）EquilibriumReactor2、吉布斯反应器（RGibbs）GibbsReactor,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。

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。

REquil平衡反应器

（2）,REquil连接,REquil模型参数,REquil模块有四组模型参数：

1、模型设定（Specifications）2、化学反应（Reactions）3、收敛（Convergence）4、液沫夹带（Entrainment）,REquil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（OperationConditions）

（1）压力；

（2）温度/蒸汽分率/热负荷2、有效相态（ValidPhases）汽/液/固/汽-液/汽-液-液/液-游离水/汽-液-游离水,REquil模型设定

（2）,REquil化学反应,定义REquil中进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、产物生成比速率（Extend）或趋近平衡温度（TemperatureApproach）。

比速率=速率/化学计量系数趋近平衡温度=T意指在T+T下计算化学反应平衡,REquil化学反应

（2）,REquil化学反应（3）,REquil示例

（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：

原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。

若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？

反应热负荷是多少？

REquil示例

（2）,分析示例

（1）中反应温度在3001000范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。

REquil示例（3）,将示例

（1）中的反应温度设为1000，分别分析反应

（1）和反应

（2）的趋近平衡温度在2000范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的影响。

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）,RGibbs连接,RGibbs模型参数,RGibbs模块有五组模型参数：

1、模型设定（Specifications）2、产物（Products）3、指定物流（AssignSteams）4、惰性物（Inerts）5、限制平衡（RestrictedEquilibrium）,RGibbs模型设定,模型设定包含操作条件、计算选项和相态设定：

1、操作条件（OperationConditions）

（1）压力；

（2）温度/热负荷2、计算选项（CalculationOptions）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,有三种选择：

1、系统中的所有组分都可以是产物；RGibbsconsidersallcomponentsasproducts2、指定可能的产物组分；Identifypossibleproducts3、定义产物存在的相态。

Definephasesinwhichproductsappear,RGibbs产物

（2）,1、系统中的所有组分都可以是产物；,RGibbs产物（3）,2、指定可能的产物组分,RGibbs产物（4）,3、定义产物存在的相态,RGibbs指定物流,有两种选择：

1、自动指定出口物流相态；RGibbsassignsphasestooutletstreams2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；Usekeycomponents&cutoffmolefractiontoassignsphasestooutletstreams,RGibbs指定物流

（2）,2、使用关键组分和截尾摩尔分率,RGibbs惰性物,指定不参加化学反应平衡的惰性组分（Inerts）及其不参加反应的摩尔流量（Moleflow）或分率（Fraction）。

RGibbs惰性物

（2）,RGibbs限制平衡,有两种选择：

1、设定整个系统的趋近平衡温度Entiresystemwithtemperatureapproach2、指定各个化学反应趋近平衡的温度Individualreaction,RGibbs限制平衡

（2）,1、设定整个系统的趋近平衡温度；,RGibbs限制平衡（3）,2、指定各个化学反应趋近平衡的温度,RGibbs示例

（1）,甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：

原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。

若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？

反应热负荷是多少？

与REquil的结果进行比较。

RGibbs示例

（2）,若在示例

（1）中的原料气中加入25kmol/hr的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH4和NH3的质量分率。

如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？