第六讲反应器单元的仿真设计(一).

化工CAD基础第六讲SimulationDesignofChemicalReactors反应器单元的仿真设计(一)反应器模块的类别1.生产能力类反应器（2种）2.热力学平衡类反应器（2种）3.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：idealrealAPAPAPS//,△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A→P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：22244HCOO2HCH原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，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：4222CH3O2CO+4HO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：22244HCOO2HCH原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，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CH4H2O: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：2243HCOOHCH原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，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？222HCOOHCOREquil——示例（2）分析示例（1）中反应温度在300~1000℃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–200~0℃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。DefinephasesinwhichproductsappearRGibbs——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&cutoffmolefractiontoassignsphasestooutletstreamsRGibbs——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IndividualreactionRGibbs——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：422CHHOCO3H原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，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。222COHOCOH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？