反应器单元的仿真设计二.ppt

化工化工CADCAD基础基础 第七讲第七讲Simulation DesignSimulation Designof Chemical Reactors of Chemical Reactors反应器单元反应器单元的仿真设计的仿真设计 ( (二二) )反应器模块的类别反应器模块的类别1. 1.生生产产能力能力类类反反应应器（器（2 2种）种）2. 2.热热力学平衡力学平衡类类反反应应器（器（2 2种）种）3. 3.化学化学动动力学力学类类反反应应器（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：化学动力学类反应器化学动力学类反应器1 1、、全混釜反全混釜反应应应应器器（（RCSTRRCSTR））Continuous Stirred Tank ReactorContinuous Stirred Tank Reactor 2 2、、平推流反平推流反应应应应器器（（RPlugRPlug）） Plug Flow ReactorPlug Flow Reactor 3 3、、间间间间歇釜反歇釜反应应应应器器（（RBatch)RBatch) Batch Stirred Tank ReactorBatch Stirred Tank Reactor根据化学动力学计算反应结果。

包含三种反应器：RCSTR—RCSTR—全混釜反应器全混釜反应器性质：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RCSTR —— RCSTR —— 图标图标RCSTR ——RCSTR ——连接连接RCSTR——RCSTR——模型参数模型参数RCSTR模块有两组模型参数：1、操作条件 (Operation Conditions)1) 压压力 (Pressure)2) 温度/热负热负 荷(Temperature/Heat Duty)2、持料状态态 (Holdup)1) 有效相态态 (Valid Phases)2) 设设定方式 (Specification Type)RCSTR——RCSTR—— 模型参数模型参数 （（2 2））RCSTR ——RCSTR ——设定方式设定方式设定方式有 7 个可选项：1、反应应器体积积 (Reactor Volume)只需输输入反应应器的体积积2、停留时间时间 (Residence Time)只需输输入物料在反应应器中的平均停 留时间时间 。

RCSTR —RCSTR —设定方式设定方式（（2 2））3、反应应器体积积和相体积积 (Reactor Volume ; t=15min, 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 求乙酸求乙酸转转转转化率化率为为为为35%35%的反的反应时间应时间应时间应时间 ，乙酸乙，乙酸乙酯酯酯酯的的产产产产量量，，装装 填率填率=0.7=0.7时时时时所需的反所需的反应应应应釜体釜体积积积积 如果示例如果示例(1)(1)反反应应应应速率常数和平衡常数与温度的关系如下：速率常数和平衡常数与温度的关系如下：RBatch — RBatch — 示例示例（（3 3））如果将示例如果将示例(2)(2)的操作的操作时间设时间设时间设时间设 置改置改为为为为间间间间歇加料歇加料时间时间时间时间 2 2 hrhr，，辅辅辅辅助助时间时间时间时间 1 1 hrhr，求，求 乙酸乙酸转转转转化率化率为为为为 35% 35% 时时时时的反的反应时间应时间应时间应时间 ，乙，乙 酸乙酸乙酯酯酯酯的的产产产产量量，，装填率装填率 = = 0.7 0.7 时时时时所需的反所需的反应应应应釜体釜体积积积积。

RBatch — RBatch — 示例示例（（4 4））如果将示例如果将示例(3)(3)的反的反应应应应釜用釜用 100 100 ￿￿￿￿C C的的饱饱饱饱和蒸汽加和蒸汽加热热热热，反，反应应应应釜釜传热传热传热传热 面面积积积积 6 6 mm2 2，，传热传热传热传热 系数系数 500 500 W/mW/m2 2￿￿￿￿KK，求乙酸，求乙酸转转转转化率化率为为为为35% 35% 的反的反应时间应时间应时间应时间 ，釜液温度随，釜液温度随时间变时间变时间变时间变化的曲化的曲线线线线Optimization Optimization — — 优化优化Aspen Aspen Plus Plus 在模型分析工具中提供了在模型分析工具中提供了优优优优化工具化工具 (Optmization)(Optmization)，，其使用方法其使用方法类类类类似于似于设计规设计规设计规设计规 定：定：1 1）定）定义过义过义过义过 程程变变变变量量 (Define)(Define)；；2 2）定）定义义义义目目标标标标函数和函数和选选选选用用约约约约束条件束条件(Objective & (Objective & Constraints) Constraints)，并确定，并确定寻优寻优寻优寻优 方向方向(Maximize /(Maximize /Minimize) Minimize)；；3 3））设设设设置置调节变调节变调节变调节变 量量(Vary)(Vary)，可以，可以设设设设置多个置多个调节调节调节调节 变变变变量量 。

Optimization Optimization — — 优化优化 (3)(3)2) 2) 定定义义义义目目标标标标函数、函数、选选选选用用约约约约束条件、确定束条件、确定寻优寻优寻优寻优 方向方向Optimization Optimization — — 优化优化 (4)(4)3 3））设设设设置置调节变调节变调节变调节变 量量Constraints Constraints — — 约束约束对对对对于于约约约约束束优优优优化化 ，，则则则则需需设设设设置置约约约约束条件束条件(Constraints)(Constraints) : :1 1）定）定义过义过义过义过 程程变变变变量量 (Define)(Define)；；2 2））设设设设置置约约约约束条件束条件 (Spec)(Spec)，包括定，包括定义约义约义约义约 束表达束表达式式(Constraint expression)(Constraint expression)，制定，制定约约约约束关系束关系: :等于等于(Equal to)(Equal to) 小于或等于小于或等于(Less than or equal to)(Less than or equal to)大于或等于大于或等于(Greater than or equal to)(Greater than or equal to)并并设设设设定容差定容差 (Tolerance)(Tolerance)。

Constraints Constraints — — 约束约束 (2)(2)Optimization Optimization — — 示例示例 1 1甲甲烷烷烷烷在管式反在管式反应应应应器中器中进进进进行高温偶行高温偶联联联联脱脱氢氢氢氢制乙制乙烯烯烯烯，，发发发发生的主生的主 要化学反要化学反应应应应及其反及其反应动应动应动应动 力学表达式如下力学表达式如下( (分分压压的的单单位位为为PaPa ) ) ：：1 )2 )Optimization Optimization — — 示例示例1 1 ( (续续) )化学反化学反应应应应在在250250根内径根内径25 25 mmmm的反的反应应应应管内管内进进进进行，反行，反应应应应 管外用管外用20002000￿￿￿￿C C的高温燃气加的高温燃气加热热热热，，传热传热传热传热 系数系数为为为为200 200 W/mW/m2 2￿￿￿￿KK由于制造反由于制造反应应应应管的材料限制，反管的材料限制，反应应应应管内最高管内最高 温度不得超温度不得超过过过过12001200￿￿￿￿C C，最大，最大压压压压强强不得超不得超过过过过0.3 0.3 MPaMPa，反，反应应应应管管长长长长度不得超度不得超过过过过10 10 mm。

原料甲原料甲烷烷烷烷的流量的流量为为为为10000 10000 kg/hrkg/hr ，，压压压压力力0.3 MPa0.3 MPa求：求：1) 1) 乙乙烯烯烯烯（（C C2 2HH4 4）的最大）的最大产产产产率（率（kg/hrkg/hr）；）；2)2) 获获获获取乙取乙烯烯烯烯最大最大产产产产率所需的反率所需的反应应应应管管长长长长度、反度、反应应应应器器进进进进料料温度和反温度和反应应应应管管进进进进口口压压压压强强。