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1、CAPDCAPD基基础础 第十讲第十讲Simulation DesignSimulation Designof Chemical Reactors of Chemical Reactors反反应应器器单单元的仿真元的仿真设设 计计( (一一) )反反应应器模器模块块的的类别类别1. 1.生产能力类反应器生产能力类反应器（2 2种）种）2. 2.热力学平衡类反应器热力学平衡类反应器（2 2种）种）3. 3.化学动力学类反应器化学动力学类反应器（3 3种）种）分为三大类七种反应器：分为三大类七种反应器：反反应应器模器模块块的的类别类别（2 2）生生产产能力能力类类反反应应器器1 1、化学计量反应器
2、化学计量反应器（RStoicRStoic）StoichiometricStoichiometric Reactor Reactor 2 2、产率反应器产率反应器（RYieldRYield）Yield ReactorYield Reactor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。RStoicRStoic化学化学计计量反量反应应 器器性质：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。RStoicRStoic化学化学计计量反量反
3、应应器器（2 2）RStoicRStoic 连连接接RStoicRStoic 模型参数模型参数RStoicRStoic 模块有七组模型参数： 1 1、模型模型设定设定 (Specifications)(Specifications) 2 2、化学反应化学反应 (Reactions)(Reactions) 3 3、燃烧、燃烧 (Combustion)(Combustion) 4 4、反应热反应热 (Heat of Reaction)(Heat of Reaction) 5 5、选择性选择性 (Selectivity)(Selectivity) 6 6、粒度分布、粒度分布 (PSD)(PSD) 7
4、 7、组分属性、组分属性 (Component (Component AttrAttr.) .)RStoicRStoic 模型模型设设定定设定操作条件和有效相态设定操作条件和有效相态：1、操作条件 (Operation Conditions)(1) 压力 (Pressure)(2) 温度/热负荷 (Temperature/Heat duty) 2、有效相态 (Valid Phases)汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液/ 液-游离水 / 汽-液-游离水RStoicRStoic 模型模型设设定定（2 2）RStoicRStoic 化学反化学反应应定义定义RStoicRStoic中进行
5、的每一个化学中进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、产物生反应的编号、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多个反应的转化率时是否按照串联反 应方式计算。应方式计算。RStoicRStoic 化学反化学反应应（2 2）RStoicRStoic 化学反化学反应应（3 3）RStoicRStoic 反反应热应热设定反应热的计算类型设定反应热的计算类型(Calculation type)(Calculation type) 和参照条件和参照条件(Reference condition)(Reference condi
6、tion) ：1 1、不计算反应热、不计算反应热(Do not calculate heat of reaction)(Do not calculate heat of reaction)2 2、计算反应热、计算反应热(Calculate heat of reaction)(Calculate heat of reaction)3 3、用户指定反应热、用户指定反应热(Specify heat of reaction)(Specify heat of reaction)RStoicRStoic 反反应热应热RStoicRStoic 选择选择 性性计算对于选定组分的选择性，其定义为计算对于选定组分
7、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。RStoicRStoic 选择选择 性性（2 2）RStoicRStoic 示例示例（1 1）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 ：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 1 4 4，流，流 量为量为100 100 kmolkmol/hr/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系若反应在恒压及等温条件下进行，系 统总
8、压为统总压为0.1013 0.1013 MPaMPa，温度为，温度为750 750 ，当反，当反 应器出口处应器出口处CHCH4 4转化率为转化率为73%73%时，时，COCO2 2和和HH2 2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？ RStoicRStoic 示例示例（2 2）反应和原料同示例反应和原料同示例（1 1），），若反若反 应在恒压及绝热条件下进行，系统应在恒压及绝热条件下进行，系统 总压为总压为0.1013 0.1013 MPaMPa，反应器进口温度反应器进口温度 为为950 950 ，当反应器出口处当反应器出口处CHCH4 4转化率转化率 为为73%7
9、3%时，反应器出口温度是多少？时，反应器出口温度是多少？RStoicRStoic 示例示例（3 3）在示例在示例(1)(1)中增加甲烷部分氧化反应如下式中增加甲烷部分氧化反应如下式：并在原料气中加入并在原料气中加入15 15 kmolkmol/hr/hr的氧气。若上述两的氧气。若上述两 个反应中个反应中CHCH4 4转化率均为转化率均为43%43%时，时， 产品物流中产品物流中 COCO、 HH2 2OO、COCO2 2 和和HH2 2的流量各是多少？如果将的流量各是多少？如果将 反应设为串联进行，上述流量又各是多少？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？以上两个
10、反应的反应热各是多少？ RYieldRYield产产率反率反应应器器性质质：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。RYieldRYield产产率反率反应应器器（2 2）RYieldRYield 连连接接RYieldRYield 模型参数模型参数RYieldRYield 模块有六组模型参数： 1 1、模型模型设定设定 (Specifications)(Specifications) 2 2、产率产率 (Yield)(Yield) 3 3、闪蒸选项、闪蒸选项 (Flash Options)(F
11、lash Options) 4 4、粒度分布、粒度分布 (PSD)(PSD) 5 5、组分属性、组分属性 (Comp. (Comp. AttrAttr.) .) 6 6、组分映射组分映射 (Comp. Mapping)(Comp. Mapping)RYieldRYield 模型模型设设定定模型模型设设设设定包含操作条件定包含操作条件设设设设定和有效相定和有效相态设态设态设态设 定定：1、操作条件 (Operation Conditions)(1) 压强； (2) 温度/热负荷/温度改变 2、有效相态 (Valid Phases)汽 / 液 / 固 / 汽-液 / 汽-液-液/ 液-游离水 /
12、汽-液-游离水RYieldRYield 模型模型设设定定（2 2）RYieldRYield 产产率率产率设置有四个选项产率设置有四个选项：1 1、组分产率、组分产率 (Component yields)(Component yields)2 2、组分映射、组分映射 (Component mapping)(Component mapping)3 3、石油馏分表征、石油馏分表征 ( (PetroPetro characterization) characterization)4 4、用户子程序、用户子程序 (User subroutine)(User subroutine)RYieldRYield
13、 产产率率（2 2）RYieldRYield 组组分分产产率率选择组分产率选项时，需指选择组分产率选项时，需指定相定相对于每一单位质量非惰性进料而言，各种对于每一单位质量非惰性进料而言，各种 组分在组分在出口物流出口物流中的相对产率。中的相对产率。还可以设定进料中的某些组分为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不转化为产物的惰性组分(Inert (Inert Components)Components)。RYieldRYield 组组分分产产率率（2 2）RYieldRYield 组组分分映射映射选择组分映射选项时，需在选择组分映射选项时，需在 Comp. Comp. Mapp
14、ingMapping表单中设置各种结合表单中设置各种结合 (Lump)(Lump)反应和分解反应和分解 (De-lump)(De-lump)反应所涉反应所涉及的组分之间的定量关系及的组分之间的定量关系。RYieldRYield 组组分分映射映射（2 2）RYieldRYield 示例示例（1 1）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：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 1 4 4，流量，流量 为为100 100 kmolkmol/hr/hr。反应在恒压及等温条件下进行，。反应在恒压及等温条件下进行， 系统总压为系统总压为 0.10
15、13 0.1013 MPaMPa，温度为，温度为 750 750 ，如果反，如果反 应器出口物流中摩尔比率应器出口物流中摩尔比率 CHCH4 4 HH2 2O O : : COCO2 2: : HH2 2 等等 于于 1 1 : : 2 2 : : 3 3 : : 4 4 时，时，COCO2 2和和HH2 2的产量是多少？需要的产量是多少？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？量平衡？是否满足元素平衡？ RYieldRYield 示例示例（2 2）若在示例若在示例（1 1）的原料气中的原料气中 加入加入 25 25 kmolkmol/hr/hr 氮气，其余条氮气，其余条 件不变，计算结果会发生什么件不变，计算结果会
