反应器的模拟与衡算

一、导语

化学反应器是化工生产的核心设备，其技术的先进程度对化工生产有着重要的影响，直接关系到装置的投资规模和生产成本。原料经预处理后通过反应器得到我们想要的产品，又根据反应器的出料组成来进行后续分离系统的设计。因此，反应器的模拟与设计是化工设计过程的关键。

化学反应器的类型很多，常见的反应器有管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反应器和流化床反应器等，根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有着很大差异。而从本质上来讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是大不相同的。

首先来看比赛对化学反应器模型设计的评分细则，其要求是查阅文献并找到反应的动力学数据等模型参数，再用速率模型反应器进行模拟。今天本文介绍的就是如何利用流程模拟软件对速率模型反应器进行模拟与衡算。

二、基于速率的反应动力学模型—PowerLaw模型和LHHW模型

在Aspen中，基于速率的反应动力学模型有指数型动力学模型（Power Law Kinetic Model）和LHHW（Langmuir Hinshelwood Hougen Watson Kinetic Model）模型。

指数动力学模型的化学反应其表达式为：

反应类型（Reaction type）需选择Kinetic，在Kinetic页面还需要规定反应相态、反应速率控制基准、动力学参数以及浓度基准。

需要注意的是所输入动力学参数的单位，在Aspen中，反应动力学常数k的单位是由kmol、sec、m³和以催化剂质量作为基准时的kg组成。

另一种模型LHHW型的反应动力学方程式为：

其中动力学常数仍用修正的Arrhenius方程表示：

推动力表达式为：

吸附表达式为：

如果不存在吸附过程的影响，则只需令m=0即可。

输入动力学参数的时候同样要注意单位，从Aspen帮助文件里我们可以看到其对unit的描述：

LHHW模型的输入界面如下：

三、动力学反应器-RCSTR与RPlug

　　Aspen Plus根据不同的反应形式，提供了七种不同的反应器模块。

其中RStoic和RYield是基于物料平衡的反应器，REquil,RGibbs是基于化学平衡的反应器，而RCSTR,RPlug,RBatch是动力学反应器。在Aspen中所定义的化学反应对象可以作用与动力学反应器（RCSTR,RPlug,RBatch）和反应精馏（RadFrac）的计算。RBatch用于严格模拟间歇或半间歇反应器，反应精馏将在下一期推送中为大家进行介绍。本文主要介绍全混釜反应器RCSTR和平推流反应器RPlug。

全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。Aspen中的RCSTR模块可模拟达到理想混合的连续搅拌釜式反应器，需要已知化学反应式、动力学方程和平衡关系。

平推流反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流。其在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。Aspen中的RPlug模块可以模拟轴向没有返混、径向完全混合的理想平推流反应器。该模块只能计算动力学控制的反应，要求已知化学反应式和动力学方程。可模拟的类型包括：指定温度的反应器（Reactor with specifiedtemperature）、绝热反应器（Adiabatic reactor）、恒定冷却剂温度的反应器（Reactor with constant coolant temperature）、与冷却剂并流换热的反应器（Reactor with co-currentcoolant）、与冷却剂逆流换热的反应器（Reactor with counter-current coolant）等。

　　在Aspen中模拟反应器时，首先需对反应进行定义，再将反应导入上述反应器模块进行模拟，感兴趣的同学可以阅读今天公众号的另一条推文----反应器LHHW模型Aspen模拟实例。祝大家一切顺利！

----------END----------

本期编辑：邵青楠