第4章 Hysys模拟反应过程
反应器单元的自由度
F1 , T1 , P1 x1 ,…,xc-1 F2 , T2 , P2 y1 ,…,yc-1
Q
ξ 1 ,ξ 2 ,…,ξr，ΔP
反应器单元的自由度
方程名称 物料平衡： 热量平衡： 压力平衡：P2 = P1-P 方程数目： 变量名程： 反应物： 产物： 方程数 c 1 1 c+2 变量数目 c+2 c+2
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。
传热量
反应压降（状态变量，但须估计） 反应程度 变量数：
1
1 r 2(c+2)+r+2 (c+2)+r+2
自由度数：
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 + 2 r – 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 Reactor—PFR）
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）
• 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
• • • • 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，所有自由度均满足，开始计 算
甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：
CO H 2O CO 2 H 2
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Equilibrium Reactor 的结果进行比较。
• 对单相系统，规定T和P下的总吉布斯能由下式给出:
G Ni Gi
i 1
C

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
非绝热反应必须给定热流名称
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 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
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
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
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)
(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)
• 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 • 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）
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：
1) Temperature approach T = Treaction - ΔT (吸热反应) T = Treaction + ΔT (放热反应) Fractional approach Approach=A +B*T + C*T2
CH 4 H 2O CO 3H 2
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： 1) 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） 2) 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。
Conversion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
Equilibrium Reactor — 示例（2）
分析示例（1）中反应温度在300~1000 ℃ 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tools→Databook→Case Study 设 定变化节点
Case Study的用法
4.Gibbs Reactor—吉布斯反应器
Conversion Reactor — 示例1
• 甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应：
CH 4 2H 2O CO 2 4H 2
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
Equilibrium Reactor — 示例（1）
• 甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：