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1、CAPD基础 第十讲,Simulation Design of Chemical Reactors 反应器单元的仿真设计(一),反应器模块的类别,生产能力类反应器（2种）热力学平衡类反应器（2种）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）Stoichiometric Reactor2、产率反应器（RYield）Yield Reactor,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
2、，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(Heat of Reaction)5、选择性(Selectivity)6、粒度分布(PSD)7、组分属性(Component Attr.),RStoic 模型设定,设定操作条件和有效相态：,1、操作条件(Operation Conditions)(1)压力
3、(Pressure)(2)温度/热负荷(Temperature/Heat duty)2、有效相态(Valid Phases)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(Calculation type)和参照条件(Reference condition)：1、不计算反应热(Do n
4、ot calculate heat of reaction)2、计算反应热(Calculate heat of reaction)3、用户指定反应热(Specify heat of reaction),RStoic 反应热,RStoic 选择性,计算对于选定组分的选择性，其定义为：,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 AP 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：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14
5、，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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0.1013 MPa，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：,并在原料气中加入15 kmol/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？
6、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(Flash Options)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
7、含操作条件设定和有效相态设定：,1、操作条件(Operation Conditions)(1)压强；(2)温度/热负荷/温度改变 2、有效相态(Valid Phases)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(Component yields)2、组分映射(Component mapping)3、石油馏分表征(Petro characterization)4、用户子程序(User subroutine),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
8、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(Inert Components)。,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：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为 0.1013 MPa，温度为 750，如果反应器出口物流中摩
9、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 25 kmol/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）Equilibrium Reactor2、吉布斯反应器（RGibbs）Gibbs Reactor,根据热力学平衡条件计算体系发生化学
10、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
11、作条件(Operation Conditions)(1)压力；(2)温度/蒸汽分率/热负荷 2、有效相态(Valid Phases)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(Temperature Approach)。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：,原料
12、气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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？,REquil 示例（2）,分析示例（1）中反应温度在3001000 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
13、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(Assign Steams)4、惰性物(Inerts)5、限制平衡(Restricted Equilibrium),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(Operation Conditions)(1)压力；(2)温度
14、/热负荷 2、计算选项(Calculation Options)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；RGibbs considers all components as products2、指定可能的产物组分；Identify possible products3、定义产物存在的相态。Define phases in which products appear,RGibbs 产物(2),1、系统中的所有组分都可以是产物；,RGibbs 产物
15、(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；RGibbs assigns phases to outlet streams 2、使用关键组分和截尾摩尔分率指定出口物流相态；Use key components&cutoff mole fraction to assigns phases to outlet streams,RGibbs 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(Mole flo
16、w)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 Entire system with temperature approach 2、指定各个化学反应趋近平衡的温度 Individual reaction,RGibbs 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：,原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013 MPa，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。,RGibbs 示例（2）,若在示例(1)中的原料气中加入25 kmol/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？,
