南京工业大学化工学院化工反应工程大作业

1、南京工业大学化工学院化工09反应工程大作业 反应工程作业 化工090328浦绍瑞 4.7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 C6H5 C2H5 C6H5 CH CH2 H2。进料温度为898K，若在活塞流反应器中 进行该反应，进料为乙苯和水蒸气的混合物，其摩尔比为1:20。反应速率常数与 温度的关系为k 3.452 10 5ex)(10983/T),kmol/(s kg Pa)，不同温度下的化学 平衡常数值可根据下列近似式估算K 3.96 1011exp( 14520/T), Pa。反应物的 平均比热容为2.177kJ/(kg K)，反应热等于1.39 105J/mol。

2、催化剂床层的堆密 度为1440kg/m3。试计算反应器的轴向温度及转化率分布。 、题目背景 苯乙烯是用苯取代乙烯的一个氢原子形成的有机化合物，乙烯基的电子与苯 环共轭，不溶于水，溶于乙醇、乙醚中，暴露于空气中逐渐发生聚合及氧化。工 业上是合成树脂、离子交换树脂及合成橡胶等的重要单体。 由于苯乙烯的重要性，乙苯脱氢反应动力学和反应器的模拟及优化的研究 备受世人瞩目。通过模拟获得乙苯脱氢反应器的轴向温度分布和转化率分布，可 以在生产过程中以此为依据优化工艺操作条件。 、解决问题过程 将乙苯转化速率转变为转化率的函数: A k 1.2 105(1 xA)(1.2 105xa) 21 Xa 一 一52

3、 K(21 Xa)2 绝热操作，为变温情况，将题目中所给的 k及K与温度的关系代入上式得: rA 3.452 10 5 exp( 10983/T) 1440 1.2 10飞1 Xa Xa 1.2 105 xA2 3.96 106 exp( 14520/T)(21 Xa) 进料中乙苯与水蒸气的摩尔比为1/20,则 yA01/(20 1) 1/21，绝热温升为: 9 / 7 C pt A0(屮r)T0恒容山_ Hr) _侮卩5137K M AC ptCpt 21 2.177 22.19 又由T T0 Xa，可得反应过程温升与转化率的关系为: T 898 137Xa 由 G A0 dxA Ma dZ

4、 Ra(Xa)，其中 G A0 mT 1.7 10 3,从/ 1.454 1.222 10 3kmol /(m3 s)可得轴 向转化率的分布为: 筠 4.104 106 exp( dZ 21 Xa 10983) 898 137Xa) 1Xa 3.03 10 7Xa 21 Xa 2 /14520、_ exp() 898 137Xa 上式初值条件为：Z 0时，Xa 0。上式分离变量，米用 Metlab 中 Simpson 法 积分，程序如下: fun cti ondx=f un 1(t,x) dx=4.104*10A6/(21+x(1)*ex p(-10983/(898-137*x(1)*(1-x

5、( 1)-3.03*10A(-7)*x(1)A2/(21+x(1)*ex p(14520/(898-137*x(1) )； -137*(4.104*10A6/(21+x(1)*ex p(-10983/(898-137*x(1)*(1- x(1)-3.03*10A(-7)*x(1)A2/(21+x(1)*ex p(14520/(898-137*x(1 )； end clear;clc; xa=0;898 z=li nsp ace(0,3.2,32); t,y=ode45( fun1 ,z,xa) plot(t,y(:,1) figureO plot(t,y(:,2) result=t y(:,1

6、) y(:,2) 由于绝热反应过程的温度与转化率成线性关系，由式T 898 137xa可算出给定 转化率下的温度，同样在下表中列出相应的计算结果。将计算结果及计算结果与 课本理论值误差分析如下表所示: 表1乙苯脱氢反应器轴向转化率及温度分布 Z/m T/K（计 算） T/K（理 论） 误差 Xa （计算） Xa （理论） 误差 0.0 898.0 898.0 0.00% 0.0000 0.0000 0.00% 0.1 886.2 0.0863 0.2 876.8 877.3 -0.05% 0.1544 0.1510 2.25% 0.3 869.2 0.2100 0.4 862.9 863.5

7、-0.07% 0.2565 0.2517 1.91% 0.5 857.4 0.2962 0.6 852.7 853.5 -0.09% 0.3304 0.3250 1.66% 0.7 848.6 0.3604 0.8 845.0 845.6 -0.07% 0.3867 0.3811 1.47% 0.9 841.8 0.4101 1.0 839.0 839.7 -0.09% 0.4309 0.4235 1.75% 1.1 836.4 0.4496 1.2 834.1 834.8 -0.08% 0.4664 0.4610 1.17% 1.3 832.0 0.4815 1.4 830.2 830.9

8、-0.09% 0.4952 0.4900 1.06% 1.5 828.5 0.5076 1.7 826.9 0.5189 1.8 825.5 824.8 0.08% 0.5292 0.5340 -0.90% 1.9 824.2 0.5386 2.0 823.0 822.6 0.05% 0.5471 0.5507 -0.65% 2.1 822.0 0.5550 2.2 821.0 820.6 0.05% 0.5621 0.5647 -0.46% 2.3 820.1 0.5687 2.4 819.3 819.0 0.03% 0.5747 0.5766 -0.33% 2.5 818.5 0.5802

9、 2.6 817.8 817.6 0.03% 0.5852 0.5866 -0.24% 2.7 817.2 0.5899 2.8 816.6 816.5 0.01% 0.5942 0.5951 -0.15% 2.9 816.1 0.5981 3.0 815.6 815.5 0.01% 0.6017 0.6023 -0.10% 3.1 815.1 0.6050 3.2 814.7 814.7 0.00% 0.6081 0.6084 -0.05% 根据上表中的数据，分别以XA和T对Z做图，如下图所示。图中的两条曲线分 别为轴向温度分布曲线和轴向转化率分布曲线: 图1绝热条件下乙苯脱氢反应器的轴向温

10、度及转化率分布 4.8 采用144根直径为0.1016m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，以及甲苯转化率达60%时所需的催化剂量。 解题过程: 由题意知此反应器为非绝热变温管式反应器，144根管并联只考虑一根反应 管即可。因为144根并联反应管的总横截面积正好与上题中的直径为1.22m的绝 且进料组成又相 热反应器的截面积相等，所以两者都是在同意质量速度下操作, 同，

11、因此上题由物料衡算建立的轴向转化率分布方程式也适用于本题。差别在于 温度T与转化率XA不再成线性关系，而为: dXA 4.104 106, 10983 exP（川 Xa21 XA dZ 21 Xa 3.03 10 7xA2ex p晋） 乙苯的进料量为1.7 10 3kmol/s,而乙苯与水蒸气的摩尔比为1/20,故水蒸气的 加入量为3.4 10 2kmol/s，因此反应物料的质量速度为: 1.7 10一106 汽 10一18 0.678kg /(m2 s) 1440.106 /4 又由上题中色_ Ma 3 1 7 10 333 1.454 10 3kmol/(m3 s)， -1.222 4 将

12、式 GCpt dT G dZMA0等T（T Tc）两边同除以GCp5将相关数值代入得轴 向温度分布方程: dT -1.39 106 1.454 103 dxA dZ 4 2.85 10(1100 T) 0.07605(1100 T)-137些 0.678 2.177 dZ 0.678 2.177 0.1016dZ 初值条件为Z=0，XA=0, T=898K。采用Metlab用数值法求解，程序如下: fun cti ondx=f un 2(t,x) dx=4.104*106/(21+x(1)*ex p(-10983/x(2)*(1-x(1)-3.03*10 A(-7)*x(1)A2/(21+x(

13、1)*ex p(-14520/x(2); 0.07605*(1100-x(2)-137*(4.104*10A6/(21+x(1)*ex p(-10983/ x(2)*(1-x(1)-3.03*10A(-7)*x(1)A2/(21+x(1)*ex p(-14520/x( 2)； end clear ;clc; xa=0;898 z=li nsp ace(0,3.8,38); t,y=ode45(fun 2,z,xa); plot(t,y(:,1) figureO plot(t,y(:,2) result=t y(:,1) y(：,2) 将计算结果、计算值与课本理论值进行误差分析列于下表: 表2乙

14、苯催化脱氢反应器的轴向转化率及温度分布 Z/m Xa（计算） X理论） 误差 T/K（计算） T/K （理论） 误差 0.0 0.0000 0.0000 898.0 898.0 0.00% 0.1 0.0868 887.7 0.2 0.1569 0.1533 2.35% 879.8 880.2 -0.04% 0.3 0.2155 873.5 0.4 0.2657 0.2593 2.47% 868.4 869.1 -0.08% 0.5 0.3096 864.3 0.6 0.3487 0.3391 2.83% 860.8 861.8 -0.12% 0.7 0.3838 857.8 0.8 0.41

15、57 0.4022 3.36% 855.4 856.8 -0.17% 0.9 0.4450 853.3 1.0 0.4719 0.4537 4.01% 851.5 853.5 -0.23% 1.1 0.4969 850.0 1.2 0.5203 0.4967 4.75% 848.8 851.3 -0.29% 1.3 0.5421 847.8 1.4 0.5627 0.5333 5.51% 846.9 850.1 -0.37% 1.5 0.5820 846.2 1.6 0.6004 0.5647 6.32% 845.7 849.6 -0.46% 1.7 0.6178 845.3 1.8 0.63

16、44 0.5922 7.13% 845.0 849.7 -0.55% 2.0 0.6501 0.6164 5.47% 844.9 850.2 -0.63% 2.1 0.6652 844.8 2.2 0.6796 0.6379 6.54% 844.8 851.0 -0.73% 2.3 0.6933 844.9 2.4 0.7066 0.6571 7.53% 845.1 852.1 -0.82% 2.5 0.7192 845.4 2.6 0.7314 0.6746 8.42% 845.7 853.5 -0.92% 2.7 0.7431 846.1 2.8 0.7543 0.6904 9.26% 846.5 855.1 -1.00% 2.9 0.7652 847.0 3.0 0.7756 0.7050 10.01% 847.5 856.8 -1.08% 3.1 0.7856 848.1 3.2 0.7953 0.7184 10.70% 848.8 858.6 -1.14% 3.3 0.8047 849