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1、CAPD基础 第十一讲,Simulation Design of Chemical Reactors 反应器单元的仿真设计 (二),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：,化学动力学类反应器,1、全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor 2、平推流反应器（RPlug） Plug Flow Reactor 3、间歇釜反应器（RBatch) Batch Stirred Tank Reactor,根据化学动力学计算反应结果。 包含三种反应器：,RCSTR全混釜反应器,
2、性质：釜内达到理想混合。可模拟单、两、三相的体系，并可处理固体。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。,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。,RCSTR 图标,RCSTR 连接,RCSTR 模型参数,RCSTR模块有两组模型参数：,1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty),2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type),RCSTR
3、模型参数 （2）,RCSTR 设定方式,设定方式有 7 个可选项：,1、反应器体积 (Reactor Volume) 只需输入反应器的体积。,2、停留时间 (Residence Time) 只需输入物料在反应器中的平均停留时间。,RCSTR 设定方式（2）,3、反应器体积和相体积 (Reactor Volume & Phase Volume) 必须输入反应器体积、 气相 (Vapor phase) 或 凝聚相 (Condensed phase) 所占的体积。,RCSTR 设定方式（3）,设定方式有 7 个可选项：,RCSTR 设定方式（4）,4、反应器体积和相体积分率 (Reactor Vol
4、ume & Phase Volume Fraction) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相所占的体积分率。,RCSTR 设定方式（5）,设定方式有 7 个可选项：,RCSTR 设定方式（6）,5、反应器体积和相停留时间 (Reactor Volume & Phase Residence Time) 必须输入反应器体积和气相/凝聚相在反应器中的停留时间。,RCSTR 设定方式（7）,设定方式有 7 个可选项：,RCSTR 设定方式（8）,6、停留时间和相体积分率 (Residence Time & Phase Volume Fraction) 必须输入物料在反应器中的总平均停留时间和气相/凝聚相
5、所占的体积分率。,RCSTR 设定方式（9）,设定方式有 7 个可选项：,RCSTR 设定方式（10）,7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留时间和所占的体积分率。,RCSTR 设定方式（11）,设定方式有 7 个可选项：,RCSTR 设定方式（12）,RCSTR 设置出口物流,RCSTR如果连接了二股或三股出口物流，则应在Streams表单中设定每一股物流的出口相态。,RCSTR 设置出口物流 (2),RCSTR 选择反应,RCSTR中的化学反应通过选用预定义的化学反应对象来设定。,RC
6、STR选择反应（2）,Reactions 化学反应对象,用途：为三类动力学反应器模块和RadFrac 模块提供反应的计量关系、平衡关系和动力学关系。,Reactions 对象类型,创建化学反应对象时，需赋予对象ID和选择对象类型。对于小分子反应，常用的类型有三种： 1、LHHW 型 (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson) 2、幂律型 (Power Law) 3、反应精馏型 (Reac-Dist),Reactions 对象类型（2）,Reactions 反应设定,每一个化学反应对象可以包含多个化学反应，每个反应都要设定计量学参数和动力学参数/平衡参数。 1、计量
7、学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium),Reactions 反应设定（2）,Reactions 计量学参数,在计量学表单中为每一个化学反应创建一个对象，并选择对象类型为动力学 (Kinetic)或平衡 (Equilibrium)型。输入反应方程式中的化学计量系数(Coefficient)，对于幂律型反应对象，还要输入动力学方程式中每一个浓度因子的幂指数(Exponent)。,Reactions 计量学参数（2）,Reactions 动力学参数,在动力学表单中为每一个化学反应输入发生反应的相态、动力学参数以及浓度基准。,
8、幂律型：反应动力学因子(Kinetic factor)即反应速率常数 k，它与温度的关系用修正的Arrhenius方程表示：,Reactions动力学参数（2）,Reactions 动力学参数 (3),浓度基准(Ci basis)有以下几种： 摩尔浓度 (Molarity) , kmol/m3 质量摩尔浓度 (Molality) , mol/kg water 分压 (Partial pressure) , Pa 质量浓度 (Mass Concentration) , kg/m3 摩尔分率 (Mole fraction) , 质量分率 (Mass fraction) , ,Reactions 动
9、力学参数 (4),LHHW型的反应速率方程：,动力学因子仍用修正的Arrhenius方程表示：,Reactions 动力学参数 (5),Reactions动力学参数 (5),推动力表达式(Driving force expression) 定义为：,点击右侧的Driving force按钮，即可弹出推动力表达式输入界面。,Reactions动力学参数 (7),推动力表达式包括两项：Term 1 和 Term 2, 分别代表正反应和逆反应的推动力，分别表达为体系中各组分浓度的幂乘积。 在推动力输入界面中，必须完整输入这两项的全部参数，包括推动力常数表达式的系数(Coefficients for
10、driving force constant)。,Reactions动力学参数 (6),Reactions 动力学参数 (8),点击右侧的Adsorption按钮，即可弹出吸附表达式输入界面。吸附表达式代表反应物在催化剂表面吸附过程的传质阻力对宏观反应速率的影响，用下述函数式描述：,如果不存在吸附过程的影响，则只需令总指数 m = 0 即可。,Reactions 动力学参数 (9),RCSTR 示例 1,甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：,反应速率方程式如下：,式中：,RCSTR 示例 1 (续),反应器容积为 5 m3，装填系数为 0.6，输入氮气作为保护气体。为了保证釜内的惰性环境，输
11、入氮气量应该使出釜物料的气相分率保持在 0.001 左右。加料氨水的浓度为 4.1 kmol/m3，流量为 32.5 m3/hr。加料甲醛水溶液的浓度为 6.3 kmol/m3，流量为32.5 m3/hr。求 35 C 下乌洛托品的产量和输入氮气流量 ，并分析反应温度在 2060 C 范围里对甲醛转化率的影响。,RPlug 平推流反应器,性质：完全没有返混的管式反应器，可带有换热夹套。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制反应。,用途：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，以及反应器热负荷。,RPlug 平推流反应器 (2),RPlug 连接 (1),RP
12、lug 连接 (2),RPlug 模型参数,RPlug 模块有四组模型参数：,1、模型设定 (Specifications) 2、反应器构型 (Configuration) 3、化学反应 (Reactions) 4、压力 (Pressure),RPlug 模型设定,设定反应器类型，共有五种类型：,1、指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有三种方式设定操作温度： 1) 进料温度下的恒温 (Constant at inlet temperature) 2) 指定反应器温度 (Constant at specified reactor temp
13、erature) 3) 温度剖形 (Temperature Profile)，指定沿反应器长度的温度分布,RPlug 模型设定 (2),2、绝热反应器 只需在反应器类型下拉框中选择Adiabatic Reactor即可。 3、恒定冷却剂温度的反应器 在反应器类型下拉框中选择(Reactor with constant coolant temperature) ；在操作条件栏中设定传热系数(U coolant-process stream)和冷却剂温度(Coolant temperature)。,RPlug 模型设定 (3),RPlug 模型设定 (4),4、与冷却剂并流换热的反应器 (Reac
14、tor with co-current coolant) 5、与冷却剂逆流换热的反应器 (Reactor with counter-current coolant) 采用这两种类型需在流程图中连接冷却剂物流（连接图 2），并在反应器类型下拉框中选择相应的类型，在操作条件栏中输入传热系数 U 和冷却剂出口温度(Coolant outlet temperature)或蒸汽分率(Coolant outlet vapor fraction)。,RPlug 模型设定 (5),RPlug 模型设定 (6),RPlug 反应器构型,反应器构型表单中需要输入的项目有： 单管或多管反应器(Multitube r
15、eactor) 反应管的根数(Number of tubes) 反应管的长度(Length)和直径(Diameter) 反应物料(Process stream)有效相态 冷却剂(Coolant stream)有效相态,RPlug 反应器构型 (2),RPlug 压强,压强表单中需要输入的项目有： 1、反应器进口压强(Pressure at reactor inlet) 反应物料(Process stream)压强 冷却剂(Coolant stream)压强 2、反应器压降(Pressure drop through reactor) 反应物料(Process stream)压降 冷却剂(Coolant stream)压降,RPlug 压强 (2),RPlug 示例 1,丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：,反应速率方程式如下：,式中：,RPlug 示例 1 (续),反应器长 5 米、内径 0.5 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 440 C。如果反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到12%，试求环己烯的产量 。,RPlug 示例（2）,作出示例 1 中温度和环己烯摩尔分率沿反应器长度的分布图 。 分析反应器压力在 0.11.0 MPa 范围内对环己烯产量的影响。,
