催化反应工程华东理工大学多段换热式催化反应器1ppt课件

1、催化反应工程催化反应工程3 多段换热式催化反应器多段换热式催化反应器 多段绝热式催化反应器的特征多段绝热式催化反应器的特征 多段间接换热式反应器各段始末温度及多段间接换热式反应器各段始末温度及 转化率的优化设计转化率的优化设计 多段直接换热式反应器各段始末温度及转多段直接换热式反应器各段始末温度及转化率的化率的 优化设计优化设计催化反应工程催化反应工程多段间接换热式 平衡线，平衡线，Tm线不变线不变 冷却过程中，冷却过程中，x不变不变 各段绝热线斜率不变各段绝热线斜率不变 无返混，无返混，VR最小最小 付线调节温度付线调节温度催化反应工程催化反应工程多段原料气冷激式 平衡线，平衡线，Tm线不变

2、线不变 冷却过程中，冷却过程中，x变化变化 各段绝热线斜率不变各段绝热线斜率不变 有返混，有返混，VR大大 冷激线调节温度冷激线调节温度催化反应工程催化反应工程多段非原料气冷激式 逐段逐段Te， Tm线上移线上移 冷却过程中，冷却过程中，x不变不变 各段绝热线斜率上移各段绝热线斜率上移 一般放在最后两段之间一般放在最后两段之间 阀门调节温度阀门调节温度催化反应工程催化反应工程多段原料气冷激，略去多段原料气冷激，略去Cp的差异的差异 121进出NNNC 22211进进出出xNxN 32211进进出出TNTNTNCC催化反应工程催化反应工程 得式代入将出进,312NNNC 42211CCTTNTT

3、N进进出出联立式联立式(2)、(4)求解，可得求解，可得CCCCTTTTxxTTxTTx进出进出进进出出21212211催化反应工程催化反应工程2 多段间接换热式反应器各段始末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温度及转化率的优化设计niiSiniiSniiRRVVVV10001, 01,1.解析法求解解析法求解n段，已知段，已知V0, x1进，进，xn出出求求VR=最小时的各段最小时的各段x，T,00SRVVX1，进，进 ，XN，出，出 知知 2个个X i+1，进，进=X i，出，出 n-1个方程个方程T i，出，出-T i，进，进=(X i,出出-X i，进，进) n个方程个

4、方程个变量出进出进nTTxxfViiiiR4,00标准接触时间，标准接触时间，h hVS 0标准状态下初始态体积流量，标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h催化反应工程催化反应工程进进出出，选, 1, 1, 1nnTTxx进出,iiRTxfV 0,ijxTiRjixV出进进0,ijTxiRjiTV进出进独立变量数独立变量数2n-1反应器体积最小的必要条件反应器体积最小的必要条件为独立变量为独立变量催化反应工程催化反应工程第一类条件式确定段间间接换热过程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第二类条件式确定各段出口转化率催化反应工程催化反应工程出出,1, 0, 0i

5、iiixx第二类条件第二类条件式式0,1, 0, 0出出即iiiixx第一类条件式第一类条件式0,0进iT催化反应工程催化反应工程个进出进出nxxTTTiiiii,max,0,出iRxV0,1,出进进出出出iiiiRiiRiiRiRxTTVxVxVxV2. 出口温度受耐热温度限制出口温度受耐热温度限制独立变量数独立变量数n-1，取各段出口转化率取各段出口转化率xi，出为独立变量，出为独立变量iiixT出进,0,1,进出出出iiRiiiRiiRiRTVxVxVxV0, 0,1, 0, 0, 0进出出出即iiiiiiiiiTxxx催化反应工程催化反应工程3. 直接搜索法直接搜索法最优化问题：最优化

6、问题：1)反应器催化床体积最小反应器催化床体积最小 2)产量最大产量最大 3)能耗最小能耗最小 4)经济效益最大经济效益最大解析法存在的问题：解析法存在的问题：1)VR=min，已推导；但产量，已推导；但产量=max?经济效经济效 益益=max?2)有温度限制时，解析法求解很复杂。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？直接换热式反应器，如何优化？4)不能判断多维极值的不能判断多维极值的“尖与尖与“平平”催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程直接搜索法直接搜索法1分析独立变量数，确定独立变量分析独立变量数，确定独立变量设计型：设计型：VR=f(x i,出，出，

7、T i,进进)=Min操作型：操作型：Prod=f(x i,出，出，T i,进进)=Max 必然存在一组必然存在一组(x i,出，出，T i,进进)使使VR=Min，或，或Prod=Max催化反应工程催化反应工程3)给定初值给定初值-得得VR(或或Prod)-修正修正-直至直至VR=Min，或，或Prod=Max4)如何修正，最优化方法，如如何修正，最优化方法，如powell法法2)建立数学模型建立数学模型催化反应工程催化反应工程出出,1,0,0iiiixx5)若在改变初值的过程中发现下述现象，若在改变初值的过程中发现下述现象，改变搜索方向改变搜索方向T i,进进催化剂耐热温度催化剂耐热温度注

8、意：直接搜索法求得的结果，判别注意：直接搜索法求得的结果，判别催化反应工程催化反应工程iiiiiRTTxxfV,出进出进个，进出进出nxxTTiiiii,3 多段直接换热式反应器各段始末温多段直接换热式反应器各段始末温 度及转化率的度及转化率的 优化设计优化设计注意：原料气冷激，注意：原料气冷激，i相同相同 非原料气冷激，非原料气冷激，i不相同不相同催化反应工程催化反应工程共有共有5n-1个变量个变量进进出出, 1, 1,ipicpciipiTCNTCNTCN独立变量数独立变量数2n-1,当第一段进口温度给定，则独立变量数维当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2进进出出, 1, 1,ii

9、iixNxN冷激过程热量衡算冷激过程热量衡算 n-1 非原料气冷激非原料气冷激冷激过程中物料衡算冷激过程中物料衡算 n-1x i,进，进，x n,出已知出已知 2 催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程4 多段球形催化床甲醇合成多段球形催化床甲醇合成 反应器非均相数学模型及反应器非均相数学模型及 优化设计优化设计 物料衡算物料衡算 催化床非均相数学模型催化床非均相数学模型 甲醇合成反应动力学甲醇合成反应动力学 气固相间传质系数和给热系数气固相间传质系数和给热系数 催化剂内扩散效率因子催化剂内扩散效率因子 优化设计优化设计 计算框图计算框图 计算结果计算结果催化反应工程催化反应工程催化

10、反应工程催化反应工程1 物料衡算OHCHHCO322OHOHCHHCO23223独立反应数独立反应数2，关键组分数，关键组分数2，yCO，yCO2TinTinCOinCOCOCOTinTNNCyyyyNN,22122122令22223232,COCOinCOinCOinHHyyCyyyy22,COCOinCOinCOinmmyyCyyyy2222,COinCOinOHOHyCyyyCyyinNN,22CyyinCHCH,44催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程2 催化床非均相数学模型)(4,2,SCOgCOeCOggCOccSdRkRdN)(4,2,2222SCOgCOeCOggC

11、OccSdRkRdN)(,SCOgCOeCOgsCOsCObccSkrCOR)(,22222SCOgCOeCOgsCOsCObccSkrCOR)(42gsesgpTTTSdRRdTCN)()()(222,gsesCOsCOsCOCOsCOsCObTTSHrHrCOR设球形反应器催化床的内半径为R1，外半径为R2，假定径向流动分布均匀，流动中无沟流短路，不存在返混。在催化床中取一半径为R、厚度为dR的微元壳体，分别对气相和催化床颗粒进行物料和热量衡算。物料衡算 气相固相热量衡算 气相固相由于由于COCOCOinCOinCOTCOTCOyyyyyNyNN221221221,222122221221

12、,COCOCOinCOinCOTCOTCOyyyyyNyNN22221 COCOCOCOCOdyydyyDDdNCOCOCOCOCOdyydyyDDdN222221 2,221221221COCOinCOinCOTyyyyNDD式中式中催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程整理物料衡算式及热量衡算式，得gCOgCOsCOsCOgCOsCOsCOgCObyyyryryCORRdRdgCO,2222,2212)21 (4gCOgCOsCOsCOgCOsCOsCOgCObyyyryryCORRdRdgCO,222222,22212)21 (4)()(4222,2COsCOsCOCOsCOs

13、COpTbgHrHrCNCORRdRdTssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,ssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,22222)()()(222,gsesCOsCOsCOCOsCOsCObTTSHrHrCORZ为混合为混合气体的压气体的压缩因子。缩因子。催化反应工程催化反应工程3 甲醇合成反应动力学)()(4222,2COsCOsCOCOsCOsCOpTbgHrHrCNCORRdRdTssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,ssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,22222)()

14、()(222,gsesCOsCOsCOCOsCOsCObTTSHrHrCOR3121222221)1 (HHCOCOCOCOHCOCOCOfKfKfKffkdWdNr4221222222221)1 (HHCOCOCOCOHCOCOCOfKfKfKffkdWdNr催化反应工程催化反应工程4 气固相间传质系数和给热系数组分i气固相间传质系数kg,i和给热系数分别采用固定床中流体与颗粒外表面间的传质J因子JD和传热J因子JH关联式计算，即386. 082. 032365. 0765. 0pepeBfgfgiDRRDGkJ35. 0323023. 0876. 2pepemfpmgpmmsHRRMCGC

15、MJ上式中的Rep适用范围为0.015000。催化反应工程催化反应工程5 催化剂内扩散效率因子CO、CO2催化剂内扩散效率因子采用关键组分模型计算。催化反应工程催化反应工程6 优化设计对于球形反应器串联生产装置，在第一反应器进口气体组成、进口温度、操作压力一定的情况下，要达到某一产量，有一组优化的操作条件，此时催化床的总体积最小。因而，对于E个球形反应器，优化设计的目标函数为ERRVFEee)(3432311式中，R1及R2分别是催化床外半径及内半径。催化反应工程催化反应工程对上式的分析当球形反应器催化床内径一定时，影响球形反应器催化床体积的因素包括催化床外径、进出口气体流量，气体进出口温度及

16、组成。由于各反应器间是间接换热过程，第e个反应器出口气体组成、流量即为第e+1个反应器进口气体组成、流量。E个反应器串联装置，存在2E-2个独立变量。当E=3时，由于球形反应器独有的特点，独立变量为3个，即催化床外半径、第二、三反应器进口温度。独立变量确定后，用直接搜索法优化设计催化床体积。在优化设计中，各床层的温度不得超过催化剂的耐热温度，因而，优化设计是有约束的最优化问题。7 计算框图、gCOy,、gCOy,2gTyes反应速率反应速率反应热反应热恒压热容恒压热容微分方程组微分方程组输入输入给定初值给定初值龙格龙格库塔法求库塔法求解方程解方程 求求产量产量=给定值给定值?VR最小最小输出输

17、出调整调整R2调整调整Tb2,inTb3,inyesnono内扩散内扩散效率因子效率因子传质系数传质系数给热系数给热系数R2外半径外半径、sCOy,、sCOy,2sT催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程8 计算结果Vin 1.8105 m3 (STP)/h ,yin CO 0.1053 CO2 0.0316 H2 0.7640 CH3OH 0.0055 H2O 0.0002 N2 0.0499 CH4 0.0435P 5 Mpa 生产能力为生产能力为 100 kt/year生产条件：生产条件：催化反应工程催化反应工程表表 催化床层中径向组成和颗粒外表面气体组成及温度分布催化床层中径

18、向组成和颗粒外表面气体组成及温度分布反应器反应器R/myi,gtg/yi,sts/ COCO2CH3OHCOCO2CH3OH11.3500.10530.03160.0055210.00.10520.03160.0056210.41.2620.10320.03120.0089217.10.10320.03120.0090217.51.1600.10090.03080.0128225.30.10080.03070.0130225.71.0370.09820.03020.0174234.70.09810.03020.0175235.10.8730.09520.02960.0225245.00.09510.029