分享:动力学反应器模拟实例（中）

四、以甲醇生产为例的反应器LHHW模型

1. LHHW型反应动力学介绍

对于速率控制的反应，Aspen Plus提供了用于计算反应速率的内置Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson（LHHW）表达式。一般的LHHW表达是 

（1）

其中，动力学因子为

（2）

推动力表达式为 

（3）

吸附项为 

（4）

浓度项Ci和Cj取决于选择的浓度基准：

2. 在Aspen Plus中指定LHHW型反应的一般表达式

对于化学反应:

在一般情况下，速率表达式为

  (5)

可以看出，分子中的第一项可以移到括号里面，然后上式变成

2.1 不可逆（不可逆）案例的“驱动力”

如果反应是不可逆的（或不可逆的），那么动力学常数可以与由E指定的温度依赖性组合成主常数k。上面表达式变成

  (7)

其中，kf = 1和kb = 0

为了在Aspen Plus中具体说明这一点，下面是不可逆转反应案例的概要：

1）从下拉列表中创建一个“LHHW”类型的反应集。

2）根据给定的反应化学计量定义反应物和产物。

3）在“Kinetic”表中输入k和E的值。

4）点击“Kinetic”表中的“Driving Force”按钮。在LHHW反应集中，对于“Term 1”，输入A = 0(即，kf = 1且A = ln(kf) = ln(1) = 0)并且浓度指数等于每个反应物提升到的幂指数，式(7)中的[W]和[X]每个都被提升为1）。

5）将“Enter term”（在“Driving Force Expression”窗口中找到）输入设置为“Term 2”，并为A输入一个大的负值（即kb = 0和A = ln(kb) = ln(0) = -¥）。

注意：不需要为产品[Y]和[Z]输入幂指数，因为对于不可逆情况，kb已经为零。

2.2 可逆反应案例的“驱动力”

对于可逆反应，速率表达式可以写成

  (8)

为了在Aspen Plus中具体说明这一点，下面是不可逆转反应案例的概要：

1）从下拉列表中创建“LHHW”类型的反应集。

2）根据给定的反应化学计量定义反应物和产物。

3）在“Kinetic”表格中输入k = 1和E = 0的值。

4）点击“Kinetic”表中的“Driving Force Expression”按钮。在LHHW反应集中，对于“项1”，输入浓度指数等于每个反应物提升到的功率（例如，式(8)中的[W]和[X]两者均提高到幂指数1）。

5）对于“Term 1”中的kf，根据以下式之一输入A，B，C和D参数：

  (9)

  (10)

2.3 “吸附项表达式”

LHHW反应中的“吸附表达”取决于假定的吸附机理。 Perry的化学工程师手册中提供了各种机制的表达式。假设机制是由下式给出：

  (11)

要在Aspen Plus中输入此吸附表达式，在“Kinetic”选项卡下，单击“Adsorption”按钮，弹出“Adsorption Expression”窗口。将“Adsorption expression exponent”设置为n并定义五个项。对于浓度指数，输入如下表所示：

对于吸附常数，输入A = 0(即A = ln(1) = 0)作为“Term no. 1”，并在相应的K的其他项中输入与温度有关的表达式；通常C和D是0。

3.甲醇生产工业实例：

动力学式如下：

反应描述了在固体催化剂存在下，CO2和H2转化为甲醇(所需产物)，同时水煤气变换反应与主反应平行进行，这导致不期望的产物。这种固体催化剂通常是银或金属氧化物。一般而言，使用具有在壳侧流动的传热流体的多管非绝热填充床反应器。让我们添加一个“RPLUG”块并将一个“FEED”和一个“PRODUCT”流连接到它，如图1所示。

图1.采用严格-PLUG(RPLUG)生产甲醇的简单流程

输入进料参数：

图2 以T，P，流量和组成表示的进料物流性质

图3显示了传热模式和温度曲线方面的RPLUG规格。

图3.“传热和温度曲线”中的“RPLUG”规格

点击“Next→”按钮或直接进入“Configuration”选项卡，以便我们输入反应器尺寸，如图4所示。

图4“Configuration”选项卡窗口中的反应器尺寸

管道数量，管道直径及其长度的组合只能由Aspen Plus在没有任何模拟错误的情况下收敛到“合理”解决方案的能力来判断。当然，我们必须假定长度和直径的合理值。我们可以选择使用多管反应器或单管反应器，但每种情况下管道长度和直径不同。

我们将保留“Reactions”选项卡一段时间，然后转到“Catalyst”选项卡窗口，在该窗口中定义催化剂的性质。图5显示了催化剂的颗粒密度和床层空隙率的特性。或者，可以输入催化剂负载，而不是上述性质之一。

图5 在“Catalyst”标签窗口定义了催化剂性质的粒子密度和床层空隙率

输入LHHW型反应动力学：

图6 定义“R-1”组中“LHHW”型反应的反应物的系数。指数将在后面的“Driving ForceExpression”窗口中进行定义

接下来输入动力学因子项：

图7 反应相态为Vapor(气相)，速率基础为Cat(wt)催化剂重量，k = 1，E = 0

根据式{3}的形式，驱动力表达式由可逆情况(如式(8)所示)，其中

点击“Driving Force”按钮（如图7所示），“Driving Force Expression”窗口将显示如图8所示。输入[Ci]，即气相中组分的分压。从下拉列表中，首先选择“Term1”，并填写正向涉及的每个组份的浓度指数，并将其他指数留空或使其为零。

图8.式{3}中的驱动力项表示可逆反应。“Term 1”在这里定义为正向，给定A和B系数作为驱动力常数

对于“Term1”：

在“Driving Force Expression”窗口仍处于活动状态时，请选择“Term2”而不是“Term1”，并填写反向所涉及的每个组件的浓度指数。对于CO2，您可以将指数输入零或保留为空。

对于“Term2”：

图9显示了“Term 2”的“Driving Force Expression”窗口。

图9 式{3}中的驱动力项表示可逆反应。“Term 2”在这里定义为逆向，给定A和B系数作为驱动力常数

点击“Adsorption”按钮(见图7)，“Adsorption Expression”窗口将如图10所示。将式{3}分母中的括号项提高到3；因此，将“吸附表达式指数”设置为3。表1将简化为表2，仅仅是因为表示吸附项的式{3}的分母可以以类似于吸附的形式表达：

表2浓度指数，H2和H2O是公式(3)分母中出现的组分

上表解释了为什么Term no.1所有组分的指数都是1，Term no.2中的H2的指数是-1和H2O的指数为1，Term no.3中的H2的指数是0.5和H2O的指数为0，Term no.4中的H2的指数是0和H2O的指数为1。

对于“Term no.1”：

对于“Term no.2”：

对于“Term no.3”：

对于“Term no.4”：

 图10.“吸附表达式”窗口，通过取式(3)分母中各项的对数，求出了“Term no.1”到“Term no.4”的吸附系数A、B、C和D

此时重新将反应动力学选入到反应器中，如图11。

此时输入完全，运行模拟，结果无误。

查看反应物转化情况，H2转化率为28.3%

来源：化工人club

编辑整理：企业家软件