unisim模擬反應過程

1、第第6章章 unisim模擬反應過程模擬反應過程化學反應 涉及多相（例如氣相、液相、反應固體和固體催涉及多相（例如氣相、液相、反應固體和固體催化劑）、各種幾何形狀（例如攪拌釜、管流、匯化劑）、各種幾何形狀（例如攪拌釜、管流、匯聚和發(fā)散噴嘴、螺旋流和膜傳遞），以及各種動聚和發(fā)散噴嘴、螺旋流和膜傳遞），以及各種動量、熱量和質量傳遞區(qū)域（例如粘性流、湍流、量、熱量和質量傳遞區(qū)域（例如粘性流、湍流、傳導、輻射、擴散和分散），尤其對連續(xù)過程，傳導、輻射、擴散和分散），尤其對連續(xù)過程，化學反應器往往需專門設計化學反應器往往需專門設計。 教學目的 熟悉模擬軟件中可獲得的反應器模型類型熟悉模擬軟件中可獲得的反

2、應器模型類型以及它們在過程模擬中的應用；以及它們在過程模擬中的應用； 了解特定的反應過程的特點，選擇相適應了解特定的反應過程的特點，選擇相適應的反應器類型或反應器網絡，保證所需產的反應器類型或反應器網絡，保證所需產品組分足夠的產率和選擇性。品組分足夠的產率和選擇性。unisim反應模塊cstrplug flow反應模塊類型1. 1. 生成能力類反應器生成能力類反應器 轉化率反應器轉化率反應器(conversion reactor)變產率反應器變產率反應器(yield shift reactor)2. 2. 平衡類反應器平衡類反應器 平衡反應器平衡反應器（equilibrium reactor）

3、 吉布斯反應器吉布斯反應器(gibbs reactor，最小自由能原理最小自由能原理)3. 3. 動力學類反應器動力學類反應器 連續(xù)攪拌釜式反應器連續(xù)攪拌釜式反應器(cstr) 平推流反應器（平推流反應器（plug flow reactorpfr）(一)生產能力類反應器由用戶指定生產能力，不考慮熱力學可能性和動力學可行性由用戶指定生產能力，不考慮熱力學可能性和動力學可行性性質：按照化學反應方程式中按照化學反應方程式中計量關系計量關系進行反應，指定某一進行反應，指定某一反應物的轉化率反應物的轉化率用途：已知化學反應方程式和每一反應的轉化率，不知化學已知化學反應方程式和每一反應的轉化率，不知化學動

4、力學關系。動力學關系。 (變產率反應器變產率反應器)性質：根據每一種根據每一種產物與輸入物流間的產率關系產物與輸入物流間的產率關系進行反應，進行反應，只考慮總質量平衡，不考慮元素平衡只考慮總質量平衡，不考慮元素平衡 用途：只知化學反應式和各產物間的相對產率，不知化學計只知化學反應式和各產物間的相對產率，不知化學計量關系量關系unisim反應模塊cstrplug flow 按照化學反應方程式中的計量關系進行反應，指定某一反應物的轉化率 已知化學反應方程式和每一反應的轉化率或產量，不知化學動力學關系。conversion% (x%=c0+c1*t+c2*t2) conversion reactor

5、conversion reactor定義unisim 反應集定義unisim 反應集定義unisim 反應集非絕熱反應必須給定熱流名稱選擇在化學反應規(guī)定中定義的化學反應選擇在化學反應規(guī)定中定義的化學反應選擇在化學反應規(guī)定中定義的化學反應選擇在化學反應規(guī)定中定義的化學反應conversion reactorconversion reactor 模擬要點模擬要點 選流體包 定義reaction set 確定反應順序反應順序（并發(fā)或串聯） 給出每個反應中base組分轉化率conversion reactorconversion reactor 示例122244hcoo2hchconversion r

6、eactorconversion reactor 示例示例2conversion reactorconversion reactor 示例示例3unisim反應模塊cstrplug flow 根據每一種產物與輸入物流間的產率關系進行反應，只考慮總質量平衡，不考慮元素平衡 只知化學反應式和各產物間的相對產率，不知化學計量關系 在變產率反應器中有兩種方法設定反應：產率或者轉化率（二）熱力學平衡類反應器 根據熱力學平衡條件計算反應結果，不考慮動根據熱力學平衡條件計算反應結果，不考慮動力學可行性。力學可行性。unisim反應模塊cstrplug flowequilibrium reactorequil

7、ibrium reactor 平衡反應器平衡反應器 性質：根據化學反應方程式進行反應，按照化學平衡關系根據化學反應方程式進行反應，按照化學平衡關系式達到化學平衡，并同時達到相平衡。式達到化學平衡，并同時達到相平衡。 用途：已知反應歷程和平衡反應的反應方程式，不考慮動已知反應歷程和平衡反應的反應方程式，不考慮動力學可行性，計算同時達到化學平衡和相平衡的結果。力學可行性，計算同時達到化學平衡和相平衡的結果。equilibrium reactor 模型參數定義反應集定義反應集equilibrium reactorequilibrium reactor 平衡反應器平衡反應器化學平衡常數 lnklnk=

8、a+b/t+clnt+dt+et=a+b/t+clnt+dt+et2 2+ + 在在unit equlibriumunit equlibrium data data 中輸入的平衡常數中輸入的平衡常數將取代在將取代在reaction data-reaction equilibrium reaction data-reaction equilibrium datadata中輸入的平衡常數中輸入的平衡常數 規(guī)定了反應程度后，平衡常數根據下列溫度計算規(guī)定了反應程度后，平衡常數根據下列溫度計算反應程度的兩種規(guī)定方法：反應程度的兩種規(guī)定方法：1)temperature approach t = treac

9、tion - t (吸熱反應吸熱反應) t = treaction + t (放熱反應放熱反應) 2)fractional approach approach=a +b*t + c*t2actual conversion = approach * equilibrium conversionequilibrium reactorequilibrium reactor 模擬要點 選流體包 定義reaction set 確定反應順序反應順序（并發(fā)或串聯） 給出每個反應中base組分轉化率 equilibrium計算步驟 定義反應集reaction set 定義反應（選擇equilibrium） 輸

10、入反應的化學計量系數 在flowsheet reaction package下建立當前反應集(current reaction set) 建立equilibrium反應器單元，選擇進料物流，給定產物和熱量流名稱 在equilibrium中reaction選項卡中選擇reaction set 給定出口物流溫度，所有自由度均滿足，開始計算equilibrium reactorequilibrium reactor 示例示例（1 1） 甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為： 原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 4，流量為，流量為100

11、kmol/hr。若反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為。若反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 mpa，溫度為，溫度為750 ，當反應器出口處達到平衡，當反應器出口處達到平衡時，時，co2和和h2的產量是多少？反應熱負荷是多少？的產量是多少？反應熱負荷是多少？ 2243hcoohch222hcoohcoequilibrium reactorequilibrium reactor 示例示例（2 2）分析示例（分析示例（1）中反應溫度在）中反應溫度在3001000 范圍變化時對反應器出口物流范圍變化時對反應器出口物流ch4質量分質量分率的影響。率的影響。提示：由提示：由set單元設

12、定出口溫度與進料相同單元設定出口溫度與進料相同 由由toolsdatabookcase study 設設 定變化節(jié)點定變化節(jié)點 case study的用法equilibrium reactorequilibrium reactor 示例示例（3 3）將示例將示例(1)中的反應溫度設為中的反應溫度設為1000 ，分別，分別分析反應分析反應(1)和反應和反應(2)的趨近平衡溫度為的趨近平衡溫度為50時對反應器出口物流時對反應器出口物流ch4質量分率和質量分率和co/co2摩爾比的影響。摩爾比的影響。temperature approach 催化劑核心區(qū)域溫度與整體溫度的差值催化劑核心區(qū)域溫度與整體

13、溫度的差值4.gibbs reactorreactor吉布斯反應器unisim反應模塊cstrplug flowgibbs reactorreactor吉布斯反應器 性質：性質：根據系統(tǒng)的根據系統(tǒng)的gibbs自由能趨于最小值自由能趨于最小值的原則，計算同時達到化學平衡和相平衡的原則，計算同時達到化學平衡和相平衡時的系統(tǒng)組成和相分布。時的系統(tǒng)組成和相分布。 用途：已知化學反應式，不知道反應歷程已知化學反應式，不知道反應歷程和動力學可行性，估算可能達到的化學平和動力學可行性，估算可能達到的化學平衡和相平衡結果。衡和相平衡結果。minimization of gibbs free energy of

14、 all components 對單相系統(tǒng)，規(guī)定對單相系統(tǒng)，規(guī)定t t和和p p下的總吉布斯能由下式給出下的總吉布斯能由下式給出: : 式中式中n ni i和分別是平衡混合物中組分和分別是平衡混合物中組分i i的摩爾數和偏摩爾吉的摩爾數和偏摩爾吉布斯能。組分包括進料組分及可能由化學反應產生的組分。布斯能。組分包括進料組分及可能由化學反應產生的組分。在受原子衡算約束的條件下，總吉布斯能對在受原子衡算約束的條件下，總吉布斯能對n ni i最小化。這最小化。這種方法容易推廣到多相系統(tǒng)。種方法容易推廣到多相系統(tǒng)。ciiigng1gibbs reactor reactor 模型參數模型參數1、化學反應、

15、化學反應 (reaction set)2、熱狀態(tài)、熱狀態(tài) (thermal specification)3、操作單元反應、操作單元反應 (unit reaction definitions)4、反應程度、反應程度 (extent of reaction)5、壓力、壓力 (pressure)6、反應器數據、反應器數據 (reactor data)7、熱力學模型、熱力學模型 (thermodynamics) 操作單元反應操作單元反應 (unit reaction definitions) 選擇化學反應選擇化學反應 規(guī)定反應器操作相態(tài)規(guī)定反應器操作相態(tài)(v,l,v-l,v-l-l)(v,l,v-l,

16、v-l-l)進出口物流的規(guī)定：進出口物流的規(guī)定：1 1、可以有任意數量的進料物流股，進口壓力為多股物、可以有任意數量的進料物流股，進口壓力為多股物流中的最低壓力值；流中的最低壓力值； 2 2、最多可有四股出料物流股，每股的相態(tài)可以指定；、最多可有四股出料物流股，每股的相態(tài)可以指定；gibbs reactorreactor 限制平衡有兩種選擇：有兩種選擇：1 1、設定整個系統(tǒng)的趨近平衡溫度；、設定整個系統(tǒng)的趨近平衡溫度； 2 2、指定各個化學反應趨近平衡的溫度，、指定各個化學反應趨近平衡的溫度，需要知道化學反應方程式。需要知道化學反應方程式。gibbs計算步驟 選組分 選流體包 建立gibbs反

17、應器單元，選擇進料物流，給定產物和熱量流名稱 給定出口物流溫度，所有自由度均滿足，開始計算gibbs reactorreactor 示例（1）甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為：甲烷與水蒸汽在鎳催化劑下的轉化反應為：2243hcoohch原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸汽的摩爾比為1 4，流，流量為量為100 kmol/hr。若反應在恒壓及等溫條件下。若反應在恒壓及等溫條件下進行，系統(tǒng)總壓為進行，系統(tǒng)總壓為0.1013 mpa，溫度為，溫度為750 ，當反應器出口處達到平衡時，當反應器出口處達到平衡時，coco2 2和和h h2 2的產量的產量是多少？反應熱負荷是多少？與是多

18、少？反應熱負荷是多少？與的結果進行比較。的結果進行比較。 222hcoohcogibbs reactorreactor 練習（2）若在示例若在示例(1)(1)中的原料氣中加入中的原料氣中加入25 kmol25 kmol/hr /hr 的氮氣，并考慮氮與氫結合生成氨的副反應，的氮氣，并考慮氮與氫結合生成氨的副反應，求反應器出口物流中求反應器出口物流中chch4 4和和nhnh3 3的質量分率。的質量分率。如果氮為惰性組份，結果有什么變化？如果氮為惰性組份，結果有什么變化？gibbs反應器的評價優(yōu)點：優(yōu)點：1) 避免了寫出化學計量方程的必要性（只避免了寫出化學計量方程的必要性（只需要規(guī)定可能的產物

19、）需要規(guī)定可能的產物）2) 容易構造多相和同時存在相平衡的計算容易構造多相和同時存在相平衡的計算問題問題缺點：缺點： 可能產生不正確的結果，因為它們隱含可能產生不正確的結果，因為它們隱含動力學上不可能的反應。動力學上不可能的反應。（三）化學動力學類反應器轉化率和平衡反應器模型在過程設計的轉化率和平衡反應器模型在過程設計的初期進行物料和能量衡算研究時是有用初期進行物料和能量衡算研究時是有用的。但是，最終反應器系統(tǒng)必須確定結的。但是，最終反應器系統(tǒng)必須確定結構和大小，在實驗室研究獲得化學動力構和大小，在實驗室研究獲得化學動力學的相關數據的基礎上即可進行反應器學的相關數據的基礎上即可進行反應器結構和

20、大小的設計。結構和大小的設計。1 1、全混釜反應器、全混釜反應器 continuous stirred tank reactorcontinuous stirred tank reactor2 2、平推流反應器、平推流反應器plug flow reactorplug flow reactor3 3、間歇釜反應器、間歇釜反應器 batch reactorbatch reactor （unisimunisim所有反應模塊均可處理動態(tài)過程）所有反應模塊均可處理動態(tài)過程）根據化學動力學計算反應結果根據化學動力學計算反應結果1. cstr全混釜反應器cstr全混釜反應器 最簡單的動力學反應器模型是最簡單

21、的動力學反應器模型是cstrcstr（連續(xù)（連續(xù)攪拌釜式反應器），在該模型中反應器內攪拌釜式反應器），在該模型中反應器內物料假定為理想混合。于是，假定整個反物料假定為理想混合。于是，假定整個反應器體積的組成和溫度是均勻的，并等于應器體積的組成和溫度是均勻的，并等于反應器出口物流的組成和溫度反應器出口物流的組成和溫度 各流體微元在反應器內具有不同的停留時間各流體微元在反應器內具有不同的停留時間cstr全混釜反應器性質：性質：釜內達到理想混合。可模擬單、釜內達到理想混合?？赡M單、兩、三相的體系，并可處理固體。兩、三相的體系，并可處理固體?？赏瑫r處理動力學控制和平衡控可同時處理動力學控制和平衡控制

22、兩類反應。制兩類反應。用途：用途：已知化學反應式、動力學方程和已知化學反應式、動力學方程和平衡關系，計算所需的反應器體平衡關系，計算所需的反應器體積和反應時間，以及反應器熱負積和反應時間，以及反應器熱負荷。荷。cstr 連接unisim反應模塊cstrplug flowcstr 模型參數反應器類型反應器類型 (reactor type)(reactor type)反應序列反應序列 (reaction set) (reaction set) 熱狀態(tài)熱狀態(tài) (thermal conditions)(thermal conditions)熱力學模型熱力學模型(thermodynamics)(ther

23、modynamics)反應器體積反應器體積(reactor volume)(reactor volume)壓力壓力(pressure)(pressure)1)1)反應器類型反應器類型 (reactor type)(reactor type)：continuous stirred tankcontinuous stirred tank選擇已定義好的化學反應選擇已定義好的化學反應2)2)反應集反應集 (reaction set)(reaction set) 3) 3)熱狀態(tài)熱狀態(tài)i.i.相關物流的溫度相關物流的溫度(combined feed temperature)(combined feed

24、temperature)ii.ii. 固定溫度固定溫度(fixed temperature)(fixed temperature)iii.iii.熱負荷熱負荷(heat duty)(heat duty)reactions 動力學參數在動力學表單中為每一個化學反應輸入反在動力學表單中為每一個化學反應輸入反應動力學參數。應動力學參數。冪律型：反應動力學因子即反應速率常數冪律型：反應動力學因子即反應速率常數k k，它與溫度的關系用它與溫度的關系用arrheniusarrhenius方程表示：方程表示：tretakn1expcstr設計方程 物料衡算方程物料衡算方程 能量衡算方程能量衡算方程 00na

25、raavctkvccq 00ttuactkvhttcqcrnarpv進料條件poh2o溫度，f7575壓力1.1 atm16.16psia流量，lbmol/h150組成： po h2o pgmol%100lb/hr0110000丙二醇（pg）由環(huán)氧丙烷（propylene oxide，po）與過量水在絕熱和接近環(huán)境條件以少量可溶的硫酸作為均相催化劑的液相水解反應生產c3h6o + h2o c3h8o2 r = 1.7 x1013e32400/rt cpo已知反應器體積280ft3，液位85%，進料條件如下表： 請計算等溫反應的反應產物工況cstreactor 例題（1）cstr計算步驟 定義反

26、應集reaction set 定義反應（選擇kinetic） 基于反應的化學計量系數，hysys 對于forward order 及reverse order 提供缺省值。本例中，水是過量的，所以從動力學來說，僅對環(huán)氧丙烷來說是一級的。 把 h2o 的forward order 改為0，從而指明水是過量的。 建立混合器單元，分別輸入反應物po和water條件 建立cstr反應器單元，選擇進料物流，給定產物和熱量流名稱，設定反應器體積和液體含量 在cstr中reaction選項卡中選擇reaction set 給定出口物流溫度，所有自由度均滿足，開始計算2. plugflow reactor 平

27、推流反應器plugflow reactor 平推流反應器 在在pfrpfr反應器中如活塞流動的流體的組成反應器中如活塞流動的流體的組成沿反應器長度逐漸變化，但不存在徑向沿反應器長度逐漸變化，但不存在徑向組成或濃度梯度。而且，徑向的質量和組成或濃度梯度。而且，徑向的質量和熱量傳遞可忽略熱量傳遞可忽略 pfrpfr內的流體內的流體完全不混合，所有流體微元完全不混合，所有流體微元在反應器中具有相同的停留時間在反應器中具有相同的停留時間 plugflow reactor 平推流反應器性質：性質：反應器內完全沒有返混?？赡M反應器內完全沒有返混?？赡M單、兩、三相的體系。只能處理單、兩、三相的體系。只能

28、處理動力學控制反應?？赡M換熱夾動力學控制反應?？赡M換熱夾套。套。用途：用途：已知化學反應式和動力學方程，已知化學反應式和動力學方程，計算所能達到的轉化率，或所需計算所能達到的轉化率，或所需的反應器體積，以及反應器熱負的反應器體積，以及反應器熱負荷。荷。plugflow reactor 連接 unisim反應模塊cstrplug flowplugflow reactor 模型參數反應序列反應序列 (reaction set) (reaction set) 熱狀態(tài)熱狀態(tài)(thermal specification)(thermal specification)熱力學模型熱力學模型(thermodynamics)(thermodynamics)反應器構型反應器構型 (reactor data)(reactor data)壓力壓力 (pressure)(pressure)熱狀態(tài)熱狀態(tài) (thermal specification)(thermal specification)指定溫度的反應器指定溫度的反應器 (reactor with specified temperature)(reactor with specified temperature)，