分享:动力学反应器模拟实例（上）

随着数字化转型的深入，越来越多的化学配方设计和化学工艺设计通过数字化软件系统来模拟实现，下面分享Aspen软件的实例，供大家学习。

       一、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常用的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（催化剂以质量还是以体积计）、动力学参数以及浓度基准。

需要注意的是输入动力学参数的单位时比较麻烦，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。下图是HELP文件给出不同浓度基准时k的单位。

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：

二、动力学反应器-RCSTR与RPlug

Aspen Plus根据不同的反应形式，提供了下图七种不同的反应器模块。

其中全混釜反应器RCSTR和平推流反应器RPlug是动力学反应器。

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）。

在Aspen中模拟动力学反应器时，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下面以一个例子给大家讲一下。

 三、反应器LHHW模型Aspen模拟实例

这里以中国石油大学17年的参赛作品为例：甲醇和硫化氢为原料合成产品硫醇和硫醚的反应为例。通过查阅文献，我们可以从文献《Kinetic Model of the Reaction of Methanol with Hydrogen Sulfide》中找到该反应的动力学参数：

我们以RPlug模型对其进行模拟。选择动力学方程类型为LHHW，其动力学通式为：

注意下式和上面公式的对比。

由上表经单位换算我们可以得到如下动力学方程：（注意R=8.314J/(MOL.K)）

LHHW型动力学方程的反应动力学因子:

其中n=0，T0=633K；动力学因子的输入如下所示:

不考虑逆反应的推动力，即表达式中逆反应的K2等于0，lnK2为负无穷，故给A输入一个极大的负值，Term2（逆反应）的数据输入如下：

这样就完成了动力学反应的定义。

来源：化工人club

编辑整理：企业家软件