剖析PRO/II中的反应器模块

反应器一直以来是各种模拟软件中的难点，在此想对流程模拟软件中的各个反应器模块进行分析，并借此机会与同行进行讨论，使得大家能在这方面的模拟工作做得更好。由于自己使用软件的缘故，分析主要针对PRO/II，主要分析其设置和计算原理，其他模拟软件如Aspen plus以及hysys内的反应器模块基本类似，或进行细化或进行抽象，大多不出常用的几种反应器模型范围。自己准备花一段时间把这部分分析完，希望有经验的朋友能跟贴指正和讨论，目的是为在讨论中加深对通用模拟软件中反应器模块的认识和理解。
       在PRO/II中一共有5种反应器类型，转化反应器（Conversion Reactor)、平衡反应器(Equibrium Reactor)、吉布斯反应器(Gibbs Reactor)、活塞流反应器(Plug Flow Reactor)以及连续搅拌反应器(CST Reactor)。这五种反应器从设计的角度可以分成两个大类非动力学反应器（包括转化反应器、平衡反应器以及吉布斯反应器）和动力学反应器（活塞流反应器、连续搅拌反应器）。这两种类型反应器的根本区别是前者的模拟不需要动力学数据的支持，不能计算反应器的尺寸不能够为反应器设计直接提供支持，而后者正相反需要反应动力学数据支持，能够计算反应器大小，能够提供设计数据。这里要说明的是，与精馏塔、换热器等比较成熟的模块相比，通用模拟软件中的反应器模块即使是动力学反应器都不能满足真正工业反应器设计要求，由于实际反应器内的情况相当复杂，化学反应器、气液平衡、传热传质同时进行，而通用模拟软件中模块通常都对反应器本身进行了简化，不能够很好满足实际设计要求，所以一个成熟流程中的反应器模块到最后需要自己进行开发，而往往模拟软件中都留有二次开发接口，使得有编程能力的工艺设计人员能够自己开发反应器模块并将其嵌入到流程中进行全流程计算。
       下面对PRO/II中涉及到的各个反应器模块进行分析和讨论。

[ 本帖最后由 robinhan 于 2008-8-4 08:48 编辑 ]

转化反应器（Conversion Reactor)
       在所有反应器模块中转化反应器可以是一种最为简单的类型，这种反应器的计算不需要动力学的数据，不进行反应器大小的计算，需要的是在流程的反应设置中定义所需要的反应以及该反应器中以某种物料为基准的转化率。而其他物料都是通过所提供的反应的化学计量系数得到。转化反应器的典型设置界面如下

      这里面有几个设置，首先是Reaction Set Name选择实现定义的反应，PRO/II这里内置了两个反应水气变换和甲烷化反应。选择反应后需要设置反应器的条件，一共有三个选项，这决定了反应器的操作方式：

• Temperature Rise。 根据入口物料温度进行操作，此值为0的话即以入口物料温度为准
• Fixed  Temperature。固定反应温度，不管入口物料温度有多少，反应都将在规定温度下操作，与第一种不同的是，计算反应器负荷的时候，会对入口物料（从自身温度变化到反应器规定温度的）的焓变进行计算并计入反应器负荷。
• Fixed Duty。固定反应器负荷，常用的值规定该值为0，就意味着这是个绝热反应器，这会根据实际反应热计算反应器出口物料温度。

      另外的设置，如Unit Reaction Definitions, Reactor Data一般不需要用户设置。用户另外需要设置的是Pressure，反应器的操作压力或压降，很简单。Product Phase，可以使反应器根据气液平衡，相当于一个Flash，如过该项不设定，在反应器后面加个Flash也可以实现。
      最后需要设定的是Extent of Reaction，设置反应程度，主要就是以某种物料为基础设置反应转化率，此处PRO/II提供了一个转化率和温度相关的二次多项式，这里用户可以定义个转化率与温度的关联式。很多时候就直接设置某条件下转化率为常数。
      这里要说下转化反应器不收敛的常见原因，一般都是由于转化率和入口物料组成不匹配，特别是一个反应设置带有多个反应，平行反应，串联反应。比如说，本来设置某种物质的转化率的为1（100%），而实际上这种物质在原料中却是过量，结果死活都是反应不完全的，不收敛。
      实际上转化反应器这种最简单的模型是完全可以使用手算简单完成的。

[ 本帖最后由 robinhan 于 2008-8-4 23:01 编辑 ]

平衡反应器（Equilibrium Reactor）
      同转化反应器类似，不涉及到动力学数据和相关的反应器尺寸计算。最后的物料组成都是基于用户给定的平衡常数计算得到。这里反应器有个很重要的参数，就是离反应平衡的距离，有两种定义方法，一是以温度度量的平衡温距，另外就是以组成定义的平衡浓距。
      平衡反应器有着与转化反应器类似的操作方式，可以设定温升、操作温度或者是固定负荷。不同的是Extent of Reaction，如下图，定义反应离最终平衡的距离，有下图两种定义方式

      另外要注意的是，平衡反应器主要是针对那些在反应中没有相变反应平衡，要么气相，要么液相，这两种情况下的平衡一般分别以分压和摩尔分率来表示。这里还可以定义一个平衡常数与温度之间的关联式，这需要自己去回归数据。
      若用户没有给出离平衡的距离的话，反应器就默认该反应在反应器内达到完全的化学计量平衡。若给出了平衡温距的话，平衡常数则需要前面用户给出的温度关联式来决定。对于吸热和放热反应，最后温度关联式里温度的取值为：
T = Treaction - T(endothermic reactions)
T = Treaction + T(exothermic reactions)
      这样就可以根据平衡常数和化学计量关系计算反应器出口各物质组成情况，平衡反应器相对来说也较简单，属于简单的代数运算，很容易进行手算验证。

[ 本帖最后由 robinhan 于 2008-8-4 23:23 编辑 ]

占位

占位

占位

占位

对“通用模拟软件中的反应器模块即使是动力学反应器都不能满足真正工业反应

器设计要求”的不同看法。

一点实际的案例:

在工作阶段一个老工程师给我看过他以前做的一个反应器的计算书，也是采用解

微分方程组的方法，据他所说，所得结果无论是在实验室还是在工业化阶段，计

算结果相当准确。在本科的毕业设计阶段，本人也做过一个反应器的计算，解微

分方程组得到温度和浓度分布，熟悉计算方法和在次类计算过程中的假设条件。
我想老工程师的计算的准确性由以下几点保证：
1反应器结构比较简单，列管反应器
2列管直径较小，按一维拟均相考虑
3反应为全气相
4反应压力变化小
5反应动力学数据的准确性有保障，来自权威的机构
6传热考虑的比较仔细
我想以上的这种情况拿到软件中做模拟应该结果也是差不多的，因为它的假设和

反应情况和软件都可以做出相当接近的模拟。

总结：模拟的准确性与软件中模块所作的假设有很大关系，举个例子，假如实际

的反应器不是一维均相，而是二维的，那肯定模拟不准确。自己一点点经验分享

给大家。不确切的地方请专家指正。

LTY老弟说得不错，具体要看适应情况了。PFR有着其前提假设，对于管壳式反应器可以用这个模块试解，看其与实际差多少。通常情况下，这种一维拟均相模型适用于热效应不大的反应。对于热效应比较大，如甲醇，FT，环氧乙烷合成这类反应，由于反应管径向存在比较大的浓度和温度梯度，则需要考虑其影响，最后列出的设计方程就从常微分方程组而变成偏微分方程组。反应器这块的模拟总是从简到繁，一步步逼近真实。

学习了!很有用,不断进步

学习了，希望看到更多。

学习了，谢谢

总结的不错，我研究了很长时间，还没有总结过！

robinhan，你好！ 麻烦把你的反应器的讲解继续下去啊！

怎么只有一种反应器啊？