Hysys模拟反应过程

第4章Hysys模拟反应过程反应器单元的自由度F1,T1,P1x1,…,xc-1F2,T2,P2y1,…,yc-1Qξ1,ξ2,…,ξr，ΔP反应器单元的自由度方程名称方程数物料平衡：c热量平衡：1压力平衡：P2=P1-P1方程数目：c+2变量名程：变量数目反应物：c+2产物：c+2传热量1反应压降（状态变量，但须估计）1反应程度r变量数：2(c+2)+r+2自由度数：(c+2)+r+2反应器单元的自由度•指定进料c+2个自由度反应器自由度：r+2r–化学反应的数目2–多种组合：压降、热负荷压降、出口温度等化学反应•涉及多相（例如气相、液相、反应固体和固体催化剂）、各种几何形状（例如搅拌釜、管流、汇聚和发散喷嘴、螺旋流和膜传递），以及各种动量、热量和质量传递区域（例如粘性流、湍流、传导、辐射、扩散和分散），尤其对连续过程，化学反应器往往需专门设计。教学目的熟悉模拟软件中可获得的反应器模型类型以及它们在过程模拟中的应用；了解特定的反应过程的特点，选择相适应的反应器类型或反应器网络，保证所需产品组分足够的产率和选择性。Hysys反应模块CSTRPlugFlow反应模块类型1.生产能力类反应器转化率反应器(ConversionReactor)变产率反应器(YieldShiftReactor)2.平衡类反应器平衡反应器（EquilibriumReactor）吉布斯反应器(GIBBSReactor，最小自由能原理)3.动力学类反应器连续搅拌釜式反应器(CSTR)平推流反应器（PlugFlowReactor—PFR）(一)生产能力类反应器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•ConversionReactor（转化反应器）性质：按照化学反应方程式中计量关系进行反应，指定某一反应物的转化率用途：已知化学反应方程式和每一反应的转化率，不知化学动力学关系。•Yieldshiftreactor(变产率反应器)性质：根据每一种产物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1.ConversionReactorHysys反应模块CSTRPlugFlowConversionReactor——转化率反应器•按照化学反应方程式中的计量关系进行反应，指定某一反应物的转化率•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。•Conversion%(x%=C0+C1*T+C2*T2)ConversionReactor——化学反应定义进行的每一个化学反应的编号、化学计量关系、反应物转化率。定义Hysys反应集（ReactionSet)定义Hysys反应集（ReactionSet)定义Hysys反应集（ReactionSet)ConversionReactor—连接非绝热反应必须给定热流名称ConversionReactor—参数ConversionReactor--反应选择在化学反应规定中定义的化学反应ConversionReactor--反应选择在化学反应规定中定义的化学反应ConversionReactor模拟要点•选流体包•定义ReactionSet•确定反应顺序（并发或串联）•给出每个反应中Base组分转化率ConversionReactor—示例1•甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应：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？步骤：定义组分、流体包、反应，定义原料，定义反应集设计流程，设定反应温度（产物），看结果22244HCOO2HCHConversionReactor—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？ConversionReactor—示例3在（1）中增加甲烷部分氧化反应：2CH4+3O2--2CO+4H2O并在原料中增加15kmol/h的氧气。若上述两个反应的CH4转化率均为43%时，反应器出口组分流量是多少？如果将上述两个反应串联进行，结果又是多少？2.YieldShiftReactorHysys反应模块CSTRPlugFlowYieldShiftReactor——变产率反应器适用于没有模型或模型过于复杂的反应•根据每一种产物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•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•在变产率反应器中有两种方法设定反应：产率或者转化率（二）热力学平衡类反应器根据热力学平衡条件计算反应结果，不考虑动力学可行性。1、平衡反应器EquilibriumReactor(已知反应计量方程)2、吉布斯反应器GibbsReactor（无需写出反应方程，但须定义产物组分）3.EquilibriumReactorHysys反应模块CSTRPlugFlowEquilibriumReactor—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。EquilibriumReactor—模型参数1、化学反应集(Reactionset)2、热状态(Thermalspecification)3、操作单元反应(Unitreactiondefinitions)4、反应程度(Extentofreaction)5、压力(Pressure)6、反应器数据(Reactordata)7、热力学模型(Thermodynamics)定义反应集定义反应集EquilibriumReactor—平衡反应器化学平衡常数•lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2+……在UnitEqulibriumData中输入的平衡常数将取代在ReactionData-ReactionEquilibriumData中输入的平衡常数规定了反应程度后，平衡常数根据下列温度计算反应程度的两种规定方法：1)TemperatureapproachT=Treaction-ΔT(吸热反应)T=Treaction+ΔT(放热反应)2)FractionalapproachApproach=A+B*T+C*T2ActualConversion=Approach*EquilibriumConversionEquilibriumReactor模拟要点•选流体包•定义ReactionSet•确定反应顺序（并发或串联）•给出每个反应中Base组分转化率Equilibrium计算步骤•定义反应集ReactionSet•定义反应（选择Equilibrium）•输入反应的化学计量系数•在Flowsheet→reactionpackage下建立当前反应集(Currentreactionset)•建立equilibrium反应器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称•在equilibrium中Reaction选项卡中选择ReactionSet•给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算EquilibriumReactor—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？2243HCOOHCH222HCOOHCOEquilibriumReactor—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。提示：由Set单元设定出口温度与进料相同由tools→Databook→CaseStudy设定变化节点CaseStudy的用法4.GibbsReactor—吉布斯反应器Hysys反应模块CSTRPlugFlowGibbsReactor—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。minimizationofGibbsfreeenergyofallcomponents•对单相系统，规定T和P下的总吉布斯能由下式给出:式中Ni和分别是平衡混合物中组分i的摩尔数和偏摩尔吉布斯能。组分包括进料组分及可能由化学反应产生的组分。在受原子衡算约束的条件下，总吉布斯能对Ni最小化。这种方法容易推广到多相系统。CiiiGNG1GibbsReactor—模型参数1、化学反应(Reactionset)2、热状态(Thermalspecification)3、操作单元反应(Unitreactiondefinitions)4、反应程度(Extentofreaction)5、压力(Pressure)6、反应器数据(Reactordata)7、热力学模型(Thermodynamics)•操作单元反应(Unitreactiondefinitions)选择化学反应规定反应器操作相态(V,L,V-L,V-L-L)进出口物流的规定：1、可以有任意数量的进料物流股，进口压力为多股物流中的最低压力值；2、最多可有四股出料物流股，每股的相态可以指定；GibbsReactor——限制平衡有两种选择：1、设定整个系统的趋近平衡温度；2、指定各个化学反应趋近平衡的温度，需要知道化学反应方程式。Gibbs计算步骤•选组分•选流体包•建立Gibbs反应器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称•给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算GibbsReactor—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？与EquilibriumReactor的结果进行比较。222HCOOHCOGibbsReactor—练习（1）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。如果氮为惰性组份，结果有什么变化？Gibbs反应器的评价优点：1)避免了写出化学计量方程的必要性（只需要规定可能的产物）2)容易构造多相和同时存在相平衡的计算问题缺点：可能产生不正确的结果，因为它们隐含动力学上不可能的反应。（三）化学动力学类反应器转化率和平衡反应器模型在过程设计的初期进行物料和能量衡算研究时是有用的。但是，最终反应器系统必须确定结构和大小，在实验室研究获得化学动力学的相关数据的基础上即可进行反应器结构和大小的设计。1、全混釜反应器ContinuousStirredTankReactor2、平推流反应器PlugFlowReactor3、间歇釜反应器BatchReactor（Hysys所有反应模块均可处理动态过程）根据化学动力学计算反应结果1.CSTR—全混釜反应器CSTR—全混釜反应器•最简单的动力学反应器模型是CSTR（连续搅拌釜式反应器），在该模型中反应器内物料假定为理想混合。于是，假定整个反应器体积的组成和温度是均匀的，并等于反应器出口物流的组成和温度•各流体微元在反应器内具有不同的停留时间CSTR—全混釜反应器性质：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