南京工业大学-化工学院化工09--反应工程大作业.doc

反应工程作业 化工090328 浦绍瑞反应工程作业 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。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，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。试计算反应器的轴向温度及转化率分布。1、 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。2、 解决问题过程将乙苯转化速率转变为转化率的函数：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：进料中乙苯与水蒸气的摩尔比为1/20，则，绝热温升为：又由，可得反应过程温升与转化率的关系为：由，其中可得轴向转化率的分布为：上式初值条件为：。上式分离变量，采用Metlab中Simpson法积分，程序如下：function dx=fun1(t,x)dx=4.104*106/(21+x(1)*exp(-10983/(898-137*x(1)*(1-x(1)-3.03*10(-7)*x(1)2/(21+x(1)*exp(14520/(898-137*x(1); -137*(4.104*106/(21+x(1)*exp(-10983/(898-137*x(1)*(1-x(1)-3.03*10(-7)*x(1)2/(21+x(1)*exp(14520/(898-137*x(1);endclear;clc;xa=0;898z=linspace(0,3.2,32);t,y=ode45(fun1,z,xa)plot(t,y(:,1)figure()plot(t,y(:,2)result=t y(:,1) y(:,2)由于绝热反应过程的温度与转化率成线性关系，由式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/mT/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 -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 -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 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。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，且进料组成又相同，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：乙苯的进料量为，而乙苯与水蒸气的摩尔比为1/20，故水蒸气的加入量为，因此反应物料的质量速度为： 又由上题中，将式两边同除以GCpt，并将相关数值代入得轴向温度分布方程：初值条件为Z=0，xA=0，T=898K。采用Metlab用数值法求解，程序如下：function dx=fun2(t,x)dx=4.104*106/(21+x(1)*exp(-10983/x(2)*(1-x(1)-3.03*10(-7)*x(1)2/(21+x(1)*exp(-14520/x(2); 0.07605*(1100-x(2)-137*(4.104*106/(21+x(1)*exp(-10983/x(2)*(1-x(1)-3.03*10(-7)*x(1)2/(21+x(1)*exp(-14520/x(2);endclear ;clc;xa=0;898z=linspace(0,3.8,38);t,y=ode45(fun2,z,xa);plot(t,y(:,1)figure()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 乙苯催化脱氢反应器的轴向转化率及温度分布Z/mXA(计算)XA(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 0.4157 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 0.6344 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 849.5 3.4 0.8136 0.7308 11.33%850.2 860.6 -1.2