反应工程大作业.doc

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1、[反应工程学期作业][关于管式换热器的计算]化工0802王风景J2011/5/20一、绝热管式反应器题设：在内径为1.22m的绝热管式反应器中进行乙苯催化脱氢反应进料温度为898K，反应压力为0.12MPa。进料为乙苯与水蒸气的混合物，其摩尔比为1:20。反应的速率方程为式中，p为分压，下标A、S及H分别代表乙苯、苯乙烯及氢。反应速率常数与温度的关系为不同温度下的化学平衡常数值可根据下列近似式估算反应混合物的平均比热容为，反应热等于。催化剂床层的堆密度为。试计算：（1）催化剂用量；（2）反应器的轴向温度及反应率分布。解析：求解基础：将管式反应器按活塞流反应器处理；将反应按拟均相模型处

2、理；忽略副反应影响。求解思路：求解公式为将式中的用的函数表述，而实际上等于单位时间单位反应器截面积上流过的乙苯摩尔数，可以求得具体数值。因此由求解公式可以得到的函数，积分函数式即可求转化率的轴向分布，从而求出反应体积。绝热反应过程的温度与转化率成线性关系，因此可由转化率的轴向分布求得轴向温度分布。求解过程：反应为变摩尔反应，则将各反应组分的分压变为转化率的函数：（1）（2）（3）（4）将式（1）、（2）、（3）、（4）代入反应速率方程，结果为（5）本题为绝热操作，属变温情况，需将题给的k及K与温度的关系代入式子（5）（6）进料中乙苯与水蒸气的摩尔比1/20，所以绝热温升为由值可得反应

3、过程的温度与转化率的关系为（7）而将此值及式子（6），（7）代入求解公式可得轴向转化率分布方程（8）式子（8）的初值条件为Z=0，XA=0。积分式（8）即可求转化率的轴向分布，即不同反应器高度所能达到的转化率，从而求出反应体积。这里用龙格-库塔-吉尔法，用计算机求解。求解的程序为：functionzODEclearall;clc,formatlongXA0=0;[z,XA]=ode45(@f,0:0.1:3.5,XA0)plot(z,XA,'k-'),xlabel('z'),ylabel('XA')%------------------------------------------

4、------------functiondXAdz=f(z,XA)dXAdz=4.104e6/(21+XA)*exp(-10983/(898-137*XA))*(1-XA-3.03e-7*XA^2/(21+XA)*exp(14520/(898-137*XA)))由于绝热反应过程的温度与转化率成线性关系，由式子（7）便可算出给定转化率下的温度。求解结果列表如下：乙苯脱氢反应器轴向转化率及温度分布Z/mXAT/KZ/mXAT/KZ/mXAT/K008981.20.834.94312.40.819.07410.10.886.49771.30.832.85142.50.818.35750.2

5、0.877.36971.40.830.95512.60.817.69790.30.869.87961.50.829.23182.70.59058817.09050.40.863.59631.60.827.66232.80.816.5310.50.858.22081.70.826.23052.90.816.01530.60.853.56051.80.824.92233.00.815.53980.70.849.48241.90.823.72533.10.815.10130.80.845.88272.00.822.62893.20.814.69680.90.842.68272.10.821

6、.62363.30.814.32341.00.839.82322.20.820.70083.40.813.97881.10.837.25652.30.819.85323.50.813.6606由表中数据，分别以对及以对作图，如下图所示。图中的两条曲线即为轴向温度分布曲线及轴向转化率分布曲线。乙苯脱氢反应器的轴向温度及转化率分布为了求出转化率达到60%所需要的催化剂量，需要决定相应的床层高度。但是，表没有转化率刚好等于60%的计算结果，根据与60%相接近的数据进行线性内插，不会带来大的误差。于是，转化率达到60%的床层高度为催化剂用量二、非绝热变温管式反应器题设：采用144根直径为0.

7、101m的反应管并联操作，以代替上题中直径为1.22m的绝热管式反应器进行乙苯催化剂脱氢反应。这些反应管外用温度恒定为1100K的烟道气加热，烟道气与反应管内反应气体间的总传热系数为2.85W/(m2.k)。其他条件和要求同上题。试计算反应器的轴向转化率及温度分布，以及乙苯转化率达60%时所需要的催化剂量。解析：求解基础：将管式反应器按活塞流反应器处理；将反应按拟均相模型处理；忽略副反应影响。求解思路：求解公式为（A）（B）式（A）中可以用及的函数表述，而