催化反应工程（华东理工大学） 第五次课-多段换热式催化反应器

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1、§3多段换热式催化反应器多段原料气冷激，略去Cp的差异催化反应工程联立式(2)、(4)求解，可得催化反应工程1.解析法求解二多段间接换热式反应器各段始末温度及转化率的优化设计催化反应工程n段，已知V0,x1进，xn出求VR=最小时的各段x，T催化反应工程X1，进，XN，出已知2个Xi+1，进=Xi，出n-1个方程Ti，出-Ti，进=Λ(Xi,出-Xi，进)n个方程τ0标准接触时间，hVS0标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h独立变量数2n-1反应器体积最小的必要条件催化反应工程为独立变量第一类条件式确定段间间接换热过程第二类条件式确定各段出口转化率催化反应工程第二类条

2、件式第一类条件式2.出口温度受耐热温度限制独立变量数n-1，取各段出口转化率xi，出为独立变量催化反应工程催化反应工程3.直接搜索法最优化问题：1)反应器催化床体积最小2)产量最大3)能耗最小4)经济效益最大解析法存在的问题：1)VR=min，已推导；但产量=max?经济效益=max?2)有温度限制时，解析法求解很复杂。3)直接换热式反应器，如何优化？4)不能判断多维极值的“尖”与“平”催化反应工程直接搜索法催化反应工程1）分析独立变量数，确定独立变量设计型：VR=f(xi,出，Ti,进)=Min操作型：Prod=f(xi,出，Ti,进)=Max必然存在一组(xi,出，Ti,

3、进)使VR=Min，或Prod=Max催化反应工程3)给定初值---得VR(或Prod)---修正---直至VR=Min，或Prod=Max4)如何修正，最优化方法，如powell法2)建立数学模型5)若在改变初值的过程中发现下述现象，改变搜索方向Ti,进<催化剂起始活性温度Ti,出>催化剂耐热温度注意：直接搜索法求得的结果，判别催化反应工程三多段直接换热式反应器各段始末温度及转化率的优化设计注意：原料气冷激，∧i相同非原料气冷激，∧i不相同催化反应工程共有5n-1个变量独立变量数2n-1,当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2催化反应工程冷激过程热量衡算n-1非原料气

4、冷激冷激过程中物料衡算n-1xi,进，xn,出已知2§4多段换热式催化反应器设计实例实例一四段原料气冷激式甲醇合成反应器催化反应工程1物料衡算催化反应工程独立反应数2，关键组分数2，yCO，yCO2催化反应工程2.催化床微分方程的建立催化反应工程催化反应工程催化反应工程热量衡算3.冷激过程物料、热量衡算催化反应工程4.独立变量催化反应工程4)甲醇产量给定15)原料气已知，第1段进口温度已知31)微分方程组3n2)冷激过程4(n-1)催化反应工程5.基础数据1)动力学方程2)反应热3)恒压热容催化反应工程独立变量数(8n+n-1)-(7n-1)=2n-2四段冷激式，独立变量数6

5、6.计算框图,,冷激过程计算yes反应速率反应热恒压热容微分方程组段间冷激输入给定初值龙格—库塔法求得第一段第4段床层产量=给定值?VR最小输出调整L4调整yesnono催化反应工程7.计算结果Vin2×105m3(STP)/h,yinCO0.1053,CO20.0316,H20.7640,CH3OH0.0055H2O0.0002,N20.0499,CH40.0435P5Mpa催化床直径2m,得VR28.7m3,产量300t/dTF=0.8时计最优化操作参数催化反应工程第五章连续换热式催化反应器1反应器类型连续换热式1)自热式，催化剂装在冷管间2)供热式(或移热式)，催化剂装

6、在列管内(或管间)2反应器数学模型一连续换热式氨合成反应器(举例三套管并流式)催化反应工程催化反应工程1物料衡算催化反应工程催化反应工程2.微分方程的建立催化反应工程催化反应工程热量衡算催化反应工程绝热段催化反应工程冷却段热量衡算床层冷管内催化反应工程冷却段F(ta0)e3计算框图反应速率反应热、热容粘度、导热系数传热系数绝热段微分方程冷却段微分方程输入求绝热段假设ta0求冷却段输出调整ta0noyes催化反应工程催化反应工程冷管出口气体温度等于床层进口温度tae=ta0是ta0的函数3)VSP↑，yNH3↓，产量↑，Δp↑4)TF↓，th下移，yNH3↓，产量↓，tai↑5

7、)H2/N23→2.8，生产温度↑，有一较适合的H2/N24.结果与讨论1)tb0变化，生产强度变化，有一较佳的tb02)tb0↓，tai↓，然后tb0↓，tai↑，热平衡问题催化反应工程催化反应工程5热稳定性自热过程tb0→tbe→tetb0→ta0(tai)操作状态点稳定的条件β副线开启度比较：β=0tsh,outtai开副线，满足tai=ta0催化反应工程换热器tbe~tai的关系，催化床操作线，换热器操作线，在一定β值下，β↑换热器操作线左移催化反应工程催化反应工