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1、CAPD基础 第十二讲第十二讲Simulation Design of Chemical Reactors 反应器单元的仿真设计 (三三)化学动力学类反应器1、全混釜反应器全混釜反应器（RCSTR） Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反应器平推流反应器（RPlug）Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器间歇釜反应器（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：RBatch 间歇釜反应器性质性质：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
2、续过程的连接。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。RBatch 间歇釜反应器 (2)(2)RBatch 连接RBatch RBatch 模型参数模型参数RBatch RBatch 模块有六组模型参数模块有六组模型参数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 (
3、Controllers)RBatch RBatch 模型设定模型设定 (1)(1)(1)模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态模型设定包含操作设定、压力设定和有效相态：反应器操作设定反应器操作设定反应器操作设定反应器操作设定反应器操作设定反应器操作设定 (Reactor Operating Specification)(Reactor Operating Specification)(Reactor Operating Specification) 有六个选项供选择：有六个选项供选择：有六个选项供选择：有六个选项
4、供选择：有六个选项供选择：有六个选项供选择：1 1 1、恒温、恒温、恒温、恒温、恒温、恒温 (Constant Temperature)(Constant Temperature)(Constant Temperature)2 2 2、温度剖形、温度剖形、温度剖形、温度剖形、温度剖形、温度剖形 (Temperature Profiles)(Temperature Profiles)(Temperature Profiles)3 3 3、恒定热负荷、恒定热负荷、恒定热负荷、恒定热负荷、恒定热负荷、恒定热负荷 (Constant Heat Duty)(Constant Heat Duty)(Con
5、stant Heat Duty)4 4 4、热负荷剖形、热负荷剖形、热负荷剖形、热负荷剖形、热负荷剖形、热负荷剖形 (Heat Duty Profile)(Heat Duty Profile)(Heat Duty Profile)5 5 5、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度、恒定冷却剂温度 (Constant Coolant Temperature)(Constant Coolant Temperature)(Constant Coolant Temperature)6 6 6、传热用户子程序、传热用户子程序、传热用户子程序、传热用户子程序、传热用
6、户子程序、传热用户子程序 (Heat Transfer User Subroutine)(Heat Transfer User Subroutine)(Heat Transfer User Subroutine)RBatch RBatch 模型设定模型设定 (2)(2)(2)RBatch RBatch 模型设定模型设定 (3)(3)(3)选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时选用温度剖形或热负荷剖形时，需输入不同时刻的温度值或热负荷值
7、。刻的温度值或热负荷值。刻的温度值或热负荷值。刻的温度值或热负荷值。刻的温度值或热负荷值。刻的温度值或热负荷值。RBatch RBatch 模型设定模型设定 (4)(4)(4)选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、选用恒定冷却剂温度时，需输入冷却剂温度、传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。传热系数和传热面积的值。RBatch RBatch 模型设定模型
8、设定 (5)(5)(5)压强设定压强设定压强设定压强设定压强设定压强设定 (Pressure Specification)(Pressure Specification)(Pressure Specification)， 有三个选项供选择：有三个选项供选择：有三个选项供选择：有三个选项供选择：有三个选项供选择：有三个选项供选择：1 1 1、指定反应器压强、指定反应器压强、指定反应器压强、指定反应器压强、指定反应器压强、指定反应器压强 (Specify Reactor Pressure)(Specify Reactor Pressure)(Specify Reactor Pressure)2 2
9、 2、指定压强剖形、指定压强剖形、指定压强剖形、指定压强剖形、指定压强剖形、指定压强剖形 (Specify Reactor Pressure Profile)(Specify Reactor Pressure Profile)(Specify Reactor Pressure Profile)3 3 3、计算反应器压强、计算反应器压强、计算反应器压强、计算反应器压强、计算反应器压强、计算反应器压强 (Calculate (Calculate (Calculate Reactor PressureReactor PressureReactor Pressure) ) )RBatch RBatch
10、 模型设定模型设定 (6)(6)(6)RBatch RBatch 模型设定模型设定 (7)(7)(7)选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。选用压强剖形时，需输入不同时刻的压强值。RBatch RBatch 模型设定模型设定 (8)(8)(8)选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如选用计算反应器压强时，需输
11、入反应器体积。如选用计算反应器压强时，需输入反应器体积。如有排气，则还需设定排气口压强有排气，则还需设定排气口压强有排气，则还需设定排气口压强有排气，则还需设定排气口压强有排气，则还需设定排气口压强有排气，则还需设定排气口压强(Vent opening (Vent opening (Vent opening pressure)pressure)pressure) 。RBatch RBatch 停止判据停止判据 停止判据停止判据（Stop criterion）给定间给定间歇釜在一个操作周期中结束反应阶段的歇釜在一个操作周期中结束反应阶段的条件。可以为间歇釜操作设定多个停止条件。可以为间歇釜操作设
12、定多个停止判据。计算过程中任何一个判据达到设判据。计算过程中任何一个判据达到设定值后，反应即中止。定值后，反应即中止。RBatch RBatch 停止判据停止判据 (2)(2)(2)停止判据通过以下参数设定停止判据通过以下参数设定：1 1 1、序号、序号、序号、序号、序号、序号 (Criterion number)(Criterion number)(Criterion number)2 2 2、位置、位置、位置、位置、位置、位置 (Location)(Location)(Location)3 3 3、变量类型、变量类型、变量类型、变量类型、变量类型、变量类型 (Variable type)(
13、Variable type)(Variable type)4 4 4、停止值、停止值、停止值、停止值、停止值、停止值 (Stop value)(Stop value)(Stop value)5 5 5、组分、组分、组分、组分、组分、组分 (Component)(Component)(Component)6 6 6、子流股类别、子流股类别、子流股类别、子流股类别、子流股类别、子流股类别 (Substream)(Substream)(Substream)7 7 7、物性集、物性集、物性集、物性集、物性集、物性集ID ID ID (Property set ID)(Property set ID)(
14、Property set ID)8 8 8、趋近方向、趋近方向、趋近方向、趋近方向、趋近方向、趋近方向 (Approach from)(Approach from)(Approach from)RBatch RBatch 停止判据停止判据 (3)(3)(3)判据位置：反应器；排气收集器；排气管判据位置：反应器；排气收集器；排气管判据位置：反应器；排气收集器；排气管判据位置：反应器；排气收集器；排气管RBatch RBatch 停止判据停止判据 (4)(4)(4)变量类型：有转化率、浓度、物性等变量类型：有转化率、浓度、物性等变量类型：有转化率、浓度、物性等变量类型：有转化率、浓度、物性等101
15、0余种变量余种变量余种变量余种变量可选：可选：可选：可选：RBatch RBatch 停止判据停止判据 (5)(5)(5)停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方停止值给定反应停止时判据变量的数值；趋近方向表明变量是从大或小的方向接近停止值。向表明变量是从大或小的方向接近停止值。向表明变量是从大或小的方向接近停止值。向表明变量是从大或小的方向接近停止值。RBatch RBatch 操作时间操作时间1 1、间歇周期时间间歇周期时间间歇周期时间间歇周期时间 (Batch Cycle Time)(Batch Cyc
16、le Time) 为间歇釜为间歇釜为间歇釜为间歇釜操作周期设定时间指标，有操作周期设定时间指标，有操作周期设定时间指标，有操作周期设定时间指标，有 两种设定方式：两种设定方式：两种设定方式：两种设定方式： 一个操作周期的总时间一个操作周期的总时间一个操作周期的总时间一个操作周期的总时间(Total cycle time)(Total cycle time)； 批次加料时间批次加料时间批次加料时间批次加料时间(Batch feed time)(Batch feed time) （即：一次（即：一次（即：一次（即：一次 加料量除以连续来料流量）和辅助操作时加料量除以连续来料流量）和辅助操作时加料量
17、除以连续来料流量）和辅助操作时加料量除以连续来料流量）和辅助操作时 间间间间(Down time) (Down time) （即：一个操作周期减去反（即：一个操作周期减去反（即：一个操作周期减去反（即：一个操作周期减去反 应时间）应时间）应时间）应时间） 。RBatch RBatch 操作时间操作时间 (2)(2)(2)2 2、剖形结果时间剖形结果时间剖形结果时间剖形结果时间 (Profile Result Time)(Profile Result Time) 设定仿真计算的时间参数，包括最大计设定仿真计算的时间参数，包括最大计设定仿真计算的时间参数，包括最大计设定仿真计算的时间参数，包括最大
18、计算时间算时间算时间算时间(Maximum calculation time)(Maximum calculation time)、输出剖、输出剖、输出剖、输出剖形结果的时刻之间的时间区间形结果的时刻之间的时间区间形结果的时刻之间的时间区间形结果的时刻之间的时间区间(Time interval (Time interval between profile points)between profile points)，以及最大时刻点数，以及最大时刻点数，以及最大时刻点数，以及最大时刻点数(Maximum number of profile points)(Maximum number of pr
19、ofile points) 。RBatch RBatch 操作时间操作时间 (3)(3)(3)RBatch RBatch 连续加料连续加料 当存在连续加料流股时，在连续加料当存在连续加料流股时，在连续加料当存在连续加料流股时，在连续加料当存在连续加料流股时，在连续加料表单中设置各个连续加料流股的流量随时表单中设置各个连续加料流股的流量随时表单中设置各个连续加料流股的流量随时表单中设置各个连续加料流股的流量随时间的变化情况。有两种设置方式：间的变化情况。有两种设置方式：间的变化情况。有两种设置方式：间的变化情况。有两种设置方式：1 1、基于加料流股的恒定流量、基于加料流股的恒定流量、基于加料流股
20、的恒定流量、基于加料流股的恒定流量 (Flow is constant at inlet value)(Flow is constant at inlet value)2 2、指定不同时刻的流量剖形、指定不同时刻的流量剖形、指定不同时刻的流量剖形、指定不同时刻的流量剖形 (Specify flow vs. time profile)(Specify flow vs. time profile)RBatchRBatch 连续加料连续加料 (2)(2)RBatch RBatch 控制器控制器 当当当当设设设设置置置置反反反反应应应应器器器器温温温温度度度度为为为为恒恒恒恒温温温温或或或或指指指指定
21、定定定温温温温度度度度剖剖剖剖形形形形时时时时，可可可可以以以以通通通通过过过过控控控控制制制制器器器器对对对对反反反反应应应应釜釜釜釜温温温温度度度度进进进进行行行行PIDPIDPID控控控控制制制制。PIDPID控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制参参参参数数数数在在在在控控控控制制制制器器器器(Controller)(Controller)表单中设定，包括表单中设定，包括表单中设定，包括表单中设定，包括 ：1 1、比例增益因子、比例增益因子、比例增益因子、比例增益因子 (Proportional gain)(Proportional gain)2 2、积分时间常数、积分时间常
22、数、积分时间常数、积分时间常数 (Integral time constant)(Integral time constant)3 3、微分时间常数、微分时间常数、微分时间常数、微分时间常数 (Derivative time constant)(Derivative time constant)RBatch RBatch 控制器控制器 (2)(2)(2)RBatch 示例（1）乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下：乙醇和乙酸合成乙酸乙酯的化学反应方程式如下： 在在在在间间间间歇歇歇歇搅搅搅搅拌拌拌拌釜
23、釜釜釜中中中中等等等等温温温温反反反反应应应应，T=100T=100 C C，P=3barP=3bar，操操操操作作作作周周周周期期期期2.5hr2.5hr。加加加加料料料料为为为为水水水水溶溶溶溶液液液液，T=40T=40 C C，处处处处理理理理量量量量1m1m3 3/hr/hr，含含含含乙乙乙乙醇醇醇醇10.2 10.2 kmol/mkmol/m3 3、乙乙乙乙酸酸酸酸3.908 3.908 kmol/mkmol/m3 3。求求求求乙乙乙乙酸酸酸酸转转转转化化化化率率率率为为为为35%35%的的的的反反反反应应应应时间，乙酸乙酯的产量，装填率时间，乙酸乙酯的产量，装填率时间，乙酸乙酯的产
24、量，装填率时间，乙酸乙酯的产量，装填率=0.7=0.7时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积。 反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：反应速率方程式如下：反应速率方程式如下： 式中：式中：式中：式中： RBatch 示例（2）考考考考虑虑虑虑到到到到釜釜釜釜液液液液升升升升/ /降降降降温温温温的的的的影影影影响响响响，操操操操作作作作周周周周期期期期延延延延长长长长到到到到3 3hrhr，并并并并按按按按以以以以下升下升下升下升/ /降温程序操作：降温程序操作：降温程序操作：降温程序操作： t=0, T=40t=0, T=40 C C; ; t=15min
25、, T=80t=15min, T=80 C C; ; t=30min, T=100t=30min, T=100 C C; ; t=110min, T=100t=110min, T=100 C C; ; t=140min, T=40t=140min, T=40 C C求求求求乙乙乙乙酸酸酸酸转转转转化化化化率率率率为为为为35%35%的的的的反反反反应应应应时时时时间间间间，乙乙乙乙酸酸酸酸乙乙乙乙酯酯酯酯的的的的产产产产量量量量，装装装装填填填填率率率率=0.7=0.7时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积时所需的反应釜体积。 如果示例如果示例如果示例如果示例(1)(1)反应速
26、率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：反应速率常数和平衡常数与温度的关系如下： RBatch 示例（3）如如果果将将示示例例(2)的的操操作作时时间间设设置置改改为为间间歇歇加加料料时时间间 2 hr，辅辅助助时时间间 1 hr，求求乙乙酸酸转转化化率率为为 35% 时时的的反反应应时时间间，乙乙酸酸乙乙酯酯的的产产量量，装装填填率率 = 0.7 时时所所需需的的反反应应釜釜体积体积。 RBatch 示例（4）如如果果将将示示例例(3)的的反反应应釜釜用用 100 C的的饱饱和和蒸蒸汽汽加加热热，反反应应釜釜传传热热面
27、面积积 6 m2，传传热热系系数数 500 W/m2 K，求求乙乙酸酸转转化化率率为为35% 的的反反应应时时间间，釜釜液液温温度度随随时时间间变变化化的曲线的曲线。 Optimization 优化Aspen Aspen Plus Plus 在在在在模模模模型型型型分分分分析析析析工工工工具具具具中中中中提提提提供供供供了了了了优优优优化化化化工工工工具具具具(Optmization)(Optmization)，其使用方法类似于设计规定：其使用方法类似于设计规定：其使用方法类似于设计规定：其使用方法类似于设计规定： 1 1）定义过程变量）定义过程变量）定义过程变量）定义过程变量 (Define
28、)(Define)； 2 2）定义目标函数和选用约束条件）定义目标函数和选用约束条件）定义目标函数和选用约束条件）定义目标函数和选用约束条件(Objective & (Objective & Constraints) Constraints)，并确定寻优方向，并确定寻优方向，并确定寻优方向，并确定寻优方向(Maximize /(Maximize / Minimize) Minimize)； 3 3）设置调节变量）设置调节变量）设置调节变量）设置调节变量(Vary)(Vary)，可以设置多个调节变，可以设置多个调节变，可以设置多个调节变，可以设置多个调节变 量量量量 。Optimization
29、优化 (2)(2) 1 1）定义过程变量）定义过程变量）定义过程变量）定义过程变量Optimization 优化 (3)(3) 2) 2) 定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向定义目标函数、选用约束条件、确定寻优方向Optimization 优化 (4)(4)3 3）设置调节变量）设置调节变量）设置调节变量）设置调节变量Constraints 约束对于约束优化对于约束优化对于约束优化对于约束优化 ，则需设置约束条件，则需设置约束条件，则需设置约束条件，则需设置约束条件(Constraints)(Constrai
30、nts) : : 1 1）定义过程变量）定义过程变量）定义过程变量）定义过程变量 (Define)(Define)； 2 2）设置约束条件）设置约束条件）设置约束条件）设置约束条件 (Spec)(Spec)，包括定义约束表达，包括定义约束表达，包括定义约束表达，包括定义约束表达 式式式式(Constraint expression)(Constraint expression)，制定约束关系，制定约束关系，制定约束关系，制定约束关系: : 等于等于等于等于(Equal to)(Equal to) 小于或等于小于或等于小于或等于小于或等于(Less than or equal to)(Less
31、than or equal to) 大于或等于大于或等于大于或等于大于或等于(Greater than or equal to)(Greater than or equal to) 并设定容差并设定容差并设定容差并设定容差 (Tolerance)(Tolerance)。 Constraints 约束 (2)(2)Optimization 示例 1甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯，发生的主甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯，发生的主甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯，发生的主甲烷在管式反应器中进行高温偶联脱氢制乙烯，发生的主要化学反应及其反应动力学表达式如下要化学反应及其反应
32、动力学表达式如下要化学反应及其反应动力学表达式如下要化学反应及其反应动力学表达式如下( ( ( (分压的单位为分压的单位为PaPa ) )：1 1) )2 2) )Optimization 示例1 ( (续续) ) 化化化化学学学学反反反反应应应应在在在在250250根根根根内内内内径径径径25 25 mmmm的的的的反反反反应应应应管管管管内内内内进进进进行行行行，反反反反应应应应管管管管外外外外用用用用20002000 C C的的的的高高高高温温温温燃燃燃燃气气气气加加加加热热热热，传传传传热热热热系系系系数数数数为为为为200 200 W/mW/m2 2 KK。由由由由于于于于制制制制造
33、造造造反反反反应应应应管管管管的的的的材材材材料料料料限限限限制制制制，反反反反应应应应管管管管内内内内最最最最高高高高温温温温度度度度不不不不得得得得超超超超过过过过12001200 C C，最最最最大大大大压压压压强强强强不不不不得得得得超超超超过过过过0.3 0.3 MPaMPa，反反反反应应应应管管管管长长长长度度度度不不不不得得得得超超超超过过过过10 10 mm。原原原原料料料料甲甲甲甲烷烷烷烷的的的的流流流流量量量量为为为为10000 10000 kg/hrkg/hr，压压压压力力力力0.3 0.3 MPaMPa。求：求：求：求： 1) 1) 乙烯（乙烯（乙烯（乙烯（C C2 2HH4 4）的最大产率（）的最大产率（）的最大产率（）的最大产率（kg/hrkg/hr）；）；）；）； 2)2) 获取乙烯最大产率所需的反应管长度、反应器进料获取乙烯最大产率所需的反应管长度、反应器进料获取乙烯最大产率所需的反应管长度、反应器进料获取乙烯最大产率所需的反应管长度、反应器进料 温度和温度和温度和温度和反应器进口反应器进口反应器进口反应器进口压强。压强。压强。压强。
