cstr反应器开工过程动态模拟及状态空间分析

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1、CSTR反应器开工过程动态模拟及状态空间分析《化工过程分析与合成》大作业指导教师：张卫东小组成员：化工0004班19号李斌化工0004班22号陈远达化工0004班30号霍志鹏完成时间：2003年7月1日目录引言————————————————————————1问题的提出—————————————————————2模型的建立—————————————————————2-3换热条件的确定———————————————————3-4求解过程及结果———————————————————5-8模型稳定性的判定—

2、—————————————————8-9不同条件下的模拟、对比及分析————————————9-15结果讨论——————————————————————15-16心得体会——————————————————————16-17附录————————————————————————17-22（一）数值分析方法————————————————17-21（二）雅可比矩阵—————————————————21（三）参考书目——————————————————21-22（四）分工——————————————————

3、——22引言型化（Modeling）是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态学的核心。根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式，一般可以把数学模型分为集中参数模型、分布参数模型和多级集中参数模型；根据建立模型的不同方法，一般可以将数学摸型分为统计模型、确定性模型和介于二者之间的半经验模型。CSTR（ConstantStrTankReactor），即全混流反应器，又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，是一类在工业生产中广泛应用的反应器。反应物料连续加入反应器，釜内物料连续排除反应器。由

4、于是连续操作，不存在间歇操作中辅助时间的问题，一般来说可以用于产量大的产品。全混流反应器在正常情况下为定态操作过程，容易实现自动控制，操作简单，节省人力。原料加入后立即与釜内物料均匀混合，不存在热量积累而引起的局部过热，这种反应器适用于对温度反应敏感的化学反应，不会引起副反应。由于釜内物料容量大，当进料条件发生一定程度波动时，釜内反应条件不会发生明显变化，稳定性好，操作安全。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。CSTR的特性有：（1）物料在反应器

5、内充分返混；（2）反应器内各处物料参数均一；（3）反应气的出口组成与器内物料组成相同；（4）连续、稳定流动，是一定态操作。针对CSTR反应器的特性，我们可以通过对所研究的反应器系统与系统内的关键组分，列出其质量、能量和动量守恒关系式，系统及关键组分内外质量、能量和动量交换速率系数计算式，相关的相平衡关系，以及化学反应速率表达式和化学反应平衡常数计算式（如果反应可逆的话），从而建立CSTR反应器内反应的确定性集中参数模型，以此对在CSTR内进行的反应进行描述。要利用确定性模型来预测、揭示化工过程系统的内

6、在规律，解决与动态学特征有关的工程实际问题，就必须对所涉及到的数学模型进行必要的数学处理。以对CSTR反应器建立的确定性集中参数模型的数学表达式所构成的数学模型的正问题，涉及到代数方程组、常微分方程组和偏微分方程组，以及他们的混合方程组的求解，由于化工过程通常具有的非线性特征，求模型方程组的解析解往往是不可能的，不得不借助计算机求数值解。对于典型的常微分方程组的初值问题，通常可以利用龙格—库塔（R—K）、基尔（Gear）法等通用程序求数值解。本篇阐述了我们通过文献调研，查取物性数据及相关资料，对一个在

7、CSTR反应器内进行的二级不可逆放热反应进行分析、建立起反应的确定性集中参数模型，应用相关计算法则，编制计算机程序，并利用计算机辅助设计绘制了状态空间的相平面图，实施了对这一反应的状态空间分析和热平衡分析，并对所得结果进行讨论和综合的过程。在整个过程中，我们始终坚持用系统工程的思想、方法来解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，取得了可喜的成绩，使我们加深了对化工过程分析与合成的认识以及对化工过程系统动态模拟与分析的理解，为我们在今后的学习和工作实践奠定了思想基础。模一．问题的提出在一全混流反

8、应器中用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为CH3COOH?C4H9OH?CH2COOC4H9?H2O（A）（B）（C）（D）2反应在310.3K等温下进行，动力学方程为ra?17.4Ca[kmol.L?1.min?1]，反应为二级不可逆放热反应。进料的配料摩尔比为A:B=1:1，以少量硫酸为催化剂，反应物密度为0.75Kg/L，每天生产2400Kg醋酸丁酯，醋酸的转化率为xA?0.5。钢制反应釜釜高1m，釜内直径0.7m，采用夹套式换热，水流通道厚度为1c