反应工程大作业

1、反响工程学期作业关于管式换热器的计算化工0802 王风景J10010802322021/5/20一、绝热管式反响器题设：在内径为1.22m的绝热管式反响器中进行乙苯催化脱氢反响进料温度为898K，反响压力为0.12MPa。进料为乙苯与水蒸气的混合物，其摩尔比为1:20。反响的速率方程为式中，p为分压，下标A、S及H分别代表乙苯、苯乙烯及氢。反响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以下近似式估算反响混合物的平均比热容为，反响热等于。催化剂床层的堆密度为。试计算：（1） 催化剂用量；（2） 反响器的轴向温度及反响率分布。解析：求解根底：将管式反响器按活塞流反响器处理；将反响按拟均

2、相模型处理；忽略副反响影响。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响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，从而求出反响体积。绝热反响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：反响为变摩尔反响，那么将各反响组分的分压变为转化率的函数： 1 2 3 4将式1、2、3、4代入反响速率方程，结果为 5此题为绝热操作，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响过程的温度与转化率的关系为 7而

3、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，即不同反响器高度所能到达的转化率，从而求出反响体积。这里用龙格-库塔-吉尔法，用计算机求解。求解的程序为 ：function zODEclear all;clc,format longXA0=0;z,XA=ode45(f,0:0.1:3.5,XA0)plot(z,XA,'k-'),xlabel('z'),ylabel('XA')%-function dXAdz=f(z,XA)dXAdz=4.104e6/(21+XA)*exp(

4、-10983/(898-137*XA)*(1-XA-3.03e-7*XA2/(21+XA)*exp(14520/(898-137*XA)由于绝热反响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：乙苯脱氢反响器轴向转化率及温度分布Z/mXAT/KZ/mXAT/KZ/mXAT/K008981.20.460269834.94312.40.576101819.07410.10.083959886.49771.30.475537832.85142.50.581332818.35750.20.150586877.36971.40.489379830.95512.60.

5、586147817.69790.30.205259869.87961.50.501958829.23182.70.59058817.09050.40.251122863.59631.60.513414827.66232.80.594664816.5310.50.290359858.22081.70.523865826.23052.90.598428816.01530.60.324376853.56051.80.533414824.92233.00.601899815.53980.70.354143849.48241.90.542151823.72533.10.605100815.10130.8

6、0.380419845.88272.00.550154822.62893.20.608053814.69680.90.403776842.68272.10.557492821.62363.30.610778814.32341.00.424648839.82322.20.564227820.70083.40.613294813.97881.10.443383837.25652.30.570414819.85323.50.615616813.6606由表中数据，分别以对及以对作图，如以下图所示。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。乙苯脱氢反响器的轴向温度及转化率分布为了求出转化

7、率到达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，转化率到达60%的床层高度为催化剂用量二、非绝热变温管式反响器题设：采用144根直径为0.101m的反响管并联操作，以代替上题中直径为1.22m的绝热管式反响器进行乙苯催化剂脱氢反响。这些反响管外用温度恒定为1100K的烟道气加热，烟道气与反响管内反响气体间的总传热系数为2.85W/(m2.k)。其他条件和要求同上题。试计算反响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：求解根底：将管式反响器按活塞流反响器

8、处理；将反响按拟均相模型处理；忽略副反响影响。求解思路：求解公式为 A B式A中可以用及的函数表述，而等于单位时间单位反响器截面积上流过的乙苯摩尔数，为一具体数值。因此式A可以表示为的函数。式B两端同除以，代入各相关数值，可以整理为的函数。转化后的两式为一阶微分方程组，采用龙格-库塔-吉尔法求解。可得温度T及转化率的轴向分布。转化率为60%时所需要的催化剂量，按线性内插法确定床层高度后即可求定。求解过程：此反响器为非绝热变温管式反响器。144根反响管并联，只考察一根反响管即可。因为144根并联反响器的总横截面积正好与直径为1.22m的绝热反响器的横截面相等，所以两者都是在同一质量速度下操作，且

9、进料组成又相同，因而上题中由无物料衡算所建立的轴向转化率分布方程式8亦适用此题。此题与上题的差异只在于反响温度T与转化率不再成线性关系。将8式改写成： C乙苯的进料量为，而乙苯与水蒸气的摩尔比为1/20，故水蒸气的参加量为 ，因之反响物物料的质量速度将式B两端同除以，代入各相关数值，可得： D此即为轴向温度分布方程。式CD均为一阶微分方程，其初值条件为Z=0，XA=0，T=898K。此方程组只能用数值法求解，这里采用龙格-库塔-吉尔法，用计算机求解。求解的程序为：function dXdz=Equations(t,X) XA=X(1);T=X(2); dXAdz=4.104e6/(21+XA)

10、*exp(-10983/T)*(1-XA-3.03e-7*XA2/(21+XA)*exp(14520/T);dTdz=0.07605*(1100-T)-137*(4.104e6/(21+XA)*exp(-10983/T)*(1-XA-3.03e-7*XA2/(21+XA)*exp(14520/T);dXdz=dXAdz;dTdz;clear all;clcX0=0,898;z,X = ode45(Equations,0:0.1:3.5,X0) plot(z,X(:,1),'k-',z,X(:,2),'k-') legend('XA','L

11、ocation','NorthWest','T','Location','NorthEest') xlabel('z'),ylabel('XA','T')求解结果列表如下：乙苯催化脱氢反响器的轴向转化率及温度分布Z/mXAT/KZ/mXAT/KZ/mXAT/K008981.40.5332850.1192.80.6904855.07660.10.0848887.96311.50.5495849.78742.90.6978855.9190.20.1533880.21741.60.

12、5647849.611630.705856.79650.30.2105874.07481.70.5789849.57413.10.7118857.70580.40.2593869.12651.80.5922849.6603.20.7184858.64370.50.3017865.08481.90.6046849.85663.30.7247859.60740.60.3391861.76192.00.6164850.15233.40.7308860.59440.70.3724859.02982.10.6274850.5373.50.7367861.60250.80.4022856.78572.20.6378851.00153.60.7424862.62960.90.4292854.94792.30.6477851.53813.70.748863.673710.4537853.45642.40.6571852.13973.80.7533864.73321.10.4761852.26462.50.666852.79973.90.7585865.80