催化反应工程华东理工大学多段换热式催化反应器.ppt

3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间接换热式反应器各段始末温度及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化率的优化设计,多段间接换热式,平衡线，Tm线不变冷却过程中，x不变各段绝热线斜率不变无返混，VR最小付线调节温度,多段原料气冷激式,平衡线，Tm线不变冷却过程中，x变化各段绝热线斜率不变有返混，VR大冷激线调节温度,多段非原料气冷激式,逐段Te，Tm线上移冷却过程中，x不变各段绝热线斜率上移一般放在最后两段之间阀门调节温度,多段原料气冷激，略去Cp的差异,联立式(2)、(4)求解，可得,2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,1.解析法求解,n段，已知V0,x1进，xn出,求VR=最小时的各段x，T,X1，进，XN，出已知2个,Xi+1，进=Xi，出n-1个方程,Ti，出-Ti，进=(Xi,出-Xi，进)n个方程,0标准接触时间，h,VS0标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h,催化反应工程,独立变量数2n-1,反应器体积最小的必要条件,为独立变量,催化反应工程,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,催化反应工程,第二类条件式,第一类条件式,2.出口温度受耐热温度限制,独立变量数n-1，取各段出口转化率xi，出为独立变量,催化反应工程,3.直接搜索法,最优化问题：1)反应器催化床体积最小2)产量最大3)能耗最小4)经济效益最大,解析法存在的问题：1)VR=min，已推导；但产量=max?经济效益=max?2)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？4)不能判断多维极值的“尖”与“平”,催化反应工程,直接搜索法,1）分析独立变量数，确定独立变量,设计型：VR=f(xi,出，Ti,进)=Min,操作型：Prod=f(xi,出，Ti,进)=Max,必然存在一组(xi,出，Ti,进),使VR=Min，或Prod=Max,3)给定初值-得VR(或Prod)-修正-直至VR=Min，或Prod=Max,4)如何修正，最优化方法，如powell法,2)建立数学模型,5)若在改变初值的过程中发现下述现象，改变搜索方向,Ti,进催化剂耐热温度,注意：直接搜索法求得的结果，判别,3多段直接换热式反应器各段始末温度及转化率的优化设计,注意：原料气冷激，i相同非原料气冷激，i不相同,催化反应工程,共有5n-1个变量,独立变量数2n-1,当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2,冷激过程热量衡算n-1,非原料气冷激,冷激过程中物料衡算n-1,xi,进，xn,出已知2,催化反应工程,4多段球形催化床甲醇合成反应器非均相数学模型及优化设计,物料衡算催化床非均相数学模型甲醇合成反应动力学气固相间传质系数和给热系数催化剂内扩散效率因子优化设计计算框图计算结果,1物料衡算,独立反应数2，关键组分数2，yCO，yCO2,催化反应工程,2催化床非均相数学模型,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,式中,催化反应工程,整理物料衡算式及热量衡算式，得,Z为混合气体的压缩因子。,3甲醇合成反应动力学,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,上式中的Rep适用范围为0.015000。,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。,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。因此，对于E个球形反应器，优化设计的目标函数为,式中，R1及R2分别是催化床外半径及内半径。,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，因此，优化设计是有约束的最优化问题。,7计算框图,yes,反应速率,反应热,恒压热容,微分方程组,输入,给定初值,龙格库塔法求解方程求,产量=给定值?,VR最小,输出,调整R2,调整Tb2,inTb3,in,yes,no,no,内扩散效率因子,传质系数给热系数,R2外半径,催化反应工程,8计算结果,Vin1.8105m3(STP)/h,yinCO0.1053CO20.0316H20.7640C