1、第4章 Hysys模拟反应过程,反应器单元的自由度,反应器单元的自由度,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
2、分足够的产率和选择性。,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,反应模块类型,1. 生产能力类反应器 转化率反应器(Conversion Reactor)变产率反应器(Yield Shift Reactor)2. 平衡类反应器 平衡反应器（Equilibrium Reactor） 吉布斯反应器(GIBBS Reactor，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（Plug Flow ReactorPFR）,(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Conversion Reactor （转化反应器）性质：按照
3、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。Yield shift reactor (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. Conversion Reactor,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,Conversion Reactor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。Conv
4、ersion% (x%=C0+C1*T+C2*T2),Conversion Reactor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（Reaction Set),定义Hysys 反应集（Reaction Set),定义Hysys 反应集（Reaction Set),Conversion Reactor连接,Conversion Reactor参数,Conversion Reactor -反应,选择在化学反应规定中定义的化学反应,Conversion Reactor -反应,选择在化学反应规定中定义的化学反应,Conversion Reacto
5、r 模拟要点,选流体包定义Reaction Set确定反应顺序（并发或串联）给出每个反应中Base组分转化率,Conversion Reactor 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,Conversion Reactor 示例2,反应和原料同示例（1），若反应在恒压及绝
6、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？,Conversion Reactor 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. Yield Shift Reactor,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,Yield Shift Reactor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
7、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 Equilibrium Reactor(已知反应计量方程)2、吉布斯反应器 Gibbs Reactor（无需写出反应方程，但须定义产物组分）,3. Equilibrium Reactor,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,Equilibrium Reactor 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
8、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。,Equilibrium Reactor 模型参数,1、化学反应集 (Reaction set)2、热状态 (Thermal specification)3、操作单元反应(Unit reaction definitions)4、反应程度 (Extent of reaction)5、压力 (Pressure)6、反应器数据 (Reactor data)7、热力学模型 (Thermodynamics),定义反应集,定义反应集,Equilibrium Reactor 平衡
9、反应器,化学平衡常数,lnK=A+B/T+ClnT+DT+ET2+ 在Unit Equlibrium Data 中输入的平衡常数将取代在Reaction Data-Reaction Equilibrium Data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：,Temperature approach T = Treaction - T (吸热反应) T = Treaction + T (放热反应) Fractional approach Approach=A +B*T + C*T2Actual Conversion = Approach * Equil
10、ibrium Conversion,Equilibrium Reactor 模拟要点,选流体包定义Reaction Set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Reaction Set定义反应（选择Equilibrium）输入反应的化学计量系数在Flowsheet reaction package下建立当前反应集(Current reaction set)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Reaction Set给定出口物流温度，所有自由度
11、均满足，开始计算,Equilibrium Reactor 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？,Equilibrium Reactor 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。提示：由Set单元设定出口温度与进料相同 由toolsDatabookCase Study 设 定变化节点,Case Study的用
12、法,4.Gibbs Reactor吉布斯反应器,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,Gibbs Reactor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。,minimization of Gibbs free energy of all components,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
13、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。,Gibbs Reactor 模型参数,1、化学反应 (Reaction set)2、热状态 (Thermal specification)3、操作单元反应 (Unit reaction definitions)4、反应程度 (Extent of reaction)5、压力 (Pressure)6、反应器数据 (Reactor data)7、热力学模型 (Thermodynamics),操作单元反应 (Unit reaction definitions) 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
14、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；,Gibbs Reactor 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,Gibbs Reactor 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
15、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Equilibrium Reactor 的结果进行比较。,Gibbs Reactor 练习（1）,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。如果氮为惰性组份，结果有什么变化？,Gibbs反应器的评价,优点：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）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
16、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 Continuous Stirred Tank Reactor2、平推流反应器Plug Flow Reactor3、间歇釜反应器 Batch Reactor （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
17、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。,CSTR 连接,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,CSTR 模型参数,反应器类型 (Reactor type)反应序列 (Reaction set) 热状态 (Thermal conditions)热力学模型(Thermodynamics)反应器体积(Reacto
18、r Volume)压力(Pressure),1)反应器类型 (Reactor type)：Continuous stirred tank,选择已定义好的化学反应,2)反应集 (Reaction set),3)热状态相关物流的温度(Combined feed temperature)固定温度(Fixed temperature)热负荷(Heat duty),Reactions 动力学参数,在动力学表单中为每一个化学反应输入反应动力学参数。,幂律型：反应动力学因子即反应速率常数k，它与温度的关系用Arrhenius方程表示：,CSTR设计方程,物料衡算方程能量衡算方程,丙二醇（1,3-dihydr
19、oxypropane ,PG）由环氧丙烷 （propylene oxide，PO）与过量水在绝热和接近环境条件以少量可溶的硫酸作为均相催化剂的液相水解反应生产 C3H6O + H2O C3H8O2 r = 1.7 x1013e32400/RT CPO 已知反应器体积280ft3，液位85%，进料条件如下表：,请计算等温反应的反应产物工况,Uniquac方程,CSTReactor 例题（1） (Unit field),CSTR计算步骤,改单位：field定义反应集Reaction Set定义反应（选择kinetic）基于反应的化学计量系数，Hysys 对于Forward Order 及Rever
20、se Order 提供缺省值。本例中，水是过量的，所以从动力学来说，仅对环氧丙烷来说是一级的。把 H2O 的Forward Order 改为0，从而指明水是过量的。建立混合器单元，分别输入反应物PO和Water条件建立CSTR反应器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称，设定反应器体积和液体含量在CSTR中Reaction选项卡中选择Reaction Set给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算,CSTR计算要点,H2O过量，正反应级数填 0反应相态：Rxn Phase: CombinedLiquid速率单位：mol/体积.小时,2. Plugflow Reactor 平推流反应器,P
21、lugflow Reactor 平推流反应器,在PFR反应器中如活塞流动的流体的组成沿反应器长度逐渐变化，但不存在径向组成或浓度梯度。而且，径向的质量和热量传递可忽略PFR内的流体完全不混合，所有流体微元在反应器中具有相同的停留时间,Plugflow Reactor 平推流反应器,性质：反应器内完全没有返混。可模拟单、两、三相的体系。只能处理动力学控制反应。可模拟换热夹套。,用途：已知化学反应式和动力学方程，计算所能达到的转化率，或所需的反应器体积，以及反应器热负荷。,Plugflow Reactor 连接,Hysys反应模块,CSTR,Plug Flow,Plugflow Reactor 模
22、型参数,反应序列 (Reaction set) 热状态(Thermal specification)热力学模型(Thermodynamics)反应器构型 (Reactor data)压力 (Pressure),热状态 (Thermal specification),指定温度的反应器 (Reactor with specified temperature)，有5种方式设定操作温度：1) 进料温度下的恒温 (Combined feed temperature)2) 指定反应器温度 (Fixed temperature) 3) 指定热负荷 (Fixed heat duty)4) 温度分布 (Temp
23、erature Profile)，指定沿反应器长度的温度分布5) 外部传热,1、指定是并流还是逆流2、指定是加热还是冷却3、设定传热系数4、设定反应器出口温度5、设定传热物流的压力（降）,外部传热,Plugflow Reactor 反应器构型,反应器构型需要输入反应器中反应管的根数、反应管的长度和直径，并指定有效相态。,反应器的压力,空管(Open pipe)填充管(Packed pipe),PFR计算步骤,定义反应集Reaction Set定义反应（选择kinetic）建立PFR反应器单元，选择进料物流，给定产物和热量流名称，设定反应器体积和液体含量在PFR中Reaction选项卡中选择Re
24、action Set给定反应器参数（如长度、内径）给定出口物流温度，所有自由度均满足，开始计算,Plugflow Reactor 示例（1）,1,3-丁二烯和乙烯合成环己烯的化学反应方程式如下：,反应器长5米、内径0.5米，压降可忽略。加料为丁二烯和乙烯等摩尔常压混合物，温度为440C。如果反应在绝热条件下进行，要求丁二烯的转化率达到12%，试求环己烯的产量。(原料初始流量按10 kgmol/h计算，需调整进料流量),反应速率方程式如右：,式中：,Plugflow Reactor 示例（2）,1）分别作出例1中温度、环己烯摩尔分率、丁二烯摩尔流率沿反应器长的温度分布图。 2）分析反应器压力在0.11.0MPa内变化时对环己烯产量的影响,本题计算要点,气相反应注意习题与软件的单位需要在rating中输入反应器尺寸软件中没有直接的转化率变量，可通过Spreadsheet来定义新的变量：,导入相关变量,进料丁二烯流量,产品中丁二烯流量,定义新变量计算公式,新变量命名,本题计算要点,气相反应注意习题与软件的单位需要在rating中输入反应器尺寸软件中没有直接的转化率变量，可通过Spreadsheet来定义新的变量：增加ADJ选择SPRDSHT-1为目标变量用户指定变量赋值调整变量：步长0.1，范围0.52,
