二氧化硫反应器最优化(2015届作品)

化学反应器理论课程作业二氧化硫反应器最优化题目：SO21/2O2=SO3，四段绝热反应器，级间间接换热。1.基础数据：混合物恒压热容Cp 0.2549kcal/kgKH =23135kcal/kmol床层空隙率b554kg/m3进口SO2浓度8.0%，O2浓度9.0%，其余为氮气。处理量131kmolSO2/hr，要求最终转化率98。2.动力学方程：式中：3.基本要求：(1)在TX图上，做出平衡线，至少4条等速率线；(2)以一维拟均相平推流模型为基础，在催化剂用量最少的前提下，总的及各段的催化剂装量；进出口温度、转化率；并在T-X图上标出折线；4.讨论：(1)要求的最终转化率从98变化到99对催化剂用量的影响；(2)如果有关系：YO2YSO221，SO2进口浓度在79之间变化，对催化剂装量的影响12第（1）问计算思路： 通过观察反应动力学方程可以发现：反应速率(-rA)是XA和T的函数。也就是说，这三个变量知道了两个可以求出第三个。所以，我的计算方法如下：先确定反应速率(-rA)的值（0-410-6），再在某一反应速率下，给定温度T，找到XA的值，使得由XA和T算出的(-rA)等于最开始假定的(-rA)值。设计程序输出所有满足(-rA) = f (XA, T)的数据，即可在TX图上，做出平衡线及等速率线。程序如下所示：（使用Fortran语言编译）Module ChemRec Implicit None Real : PA , PB , PC , Kp , T , keff , B , K , ksi , rA Real : XA Real,parameter : P=1.01325 , yA0=0.08 , yB0=0.09 , R=1.987Contains Subroutine JiSuan () PA=yA0*P*(1-XA)/(1-0.5*yA0*XA) PB=(yB0*P-0.5*yA0*P*XA)/(1-0.5*yA0*XA) PC=yA0*P*XA/(1-0.5*yA0*XA) IF (T748.15) Then keff=7.6915E18*EXP(-76062/R/T) Else keff=1.5128E7*EXP(-35992/R/T) End IF B=48148*EXP(-7355.5/T) K=2.3E-8*EXP(27200/R/T) Kp=2.26203E-5*EXP(11295.3/T) ksi=PC/Kp/PA/SQRT(PB) rA=keff*PB*K*PA/PC*(1-ksi*2)/(SQRT(B+(B-1)*PA/PC)+SQRT(K*PA/PC)*2 End Subroutine JiSuanEnd Module ChemRecProgram mainuse ChemRec Implicit None Integer : i Real : rA0 Open (50 , file = data1.csv) Do i=1,5 rA0 =(i-1)*1.e-6 Write (50,*) rA= , rA0 T = 420+273.15150 XA=1.0100 Call JiSuan() IF (ABS(rA0-rA)0) GOTO 100 End IF T=T+5 IF (T=883.15) GOTO 150 End Do Close ( 50 )End Program main由程序输出数据作图可得：（原始数据见附录）第（2）问计算思路：根据计算每段的最小催化剂用量根据确定两段之间的温度 具体思路老师课上已经讲得非常清楚了，这里本人不愿赘述。 以下说几点真正在编程中可能遇到的问题，供参考。操作线斜率1/的计算：作简化假设：u0 = u 假设入口气体为理想气体：、 入口气体摩尔质量：数值法求积分，使积分式=0时，采用梯形面积法求积分。x取微小步长后，T随操作线也有微小步长。求和过程中T值每一步都有变化。积分式求每一段出口转化率时，出口转化率Xout不能越过平衡线，也不能超过600对应的转化率。如果任意一段反应器触及平衡线，则直接跳过此温度，猜测下一温度。程序如下：Module ChemRec Implicit None Real (kind=8) : PA , PB , PC , Kp , T , keff , B , K , ksi , rA ,& rA0 , DT , DX , FT , Xmax , S , Xin , Xout , Tin , Tout ,& XA , W , X , TOL , XAe , N , E , FX , det , X0 , FX0 , & Sum , W_sum , Tin_1 , lmd Real,parameter: P=1.01325 , yA0=0.08 , yB0=0.09 , R=1.987 Logical : bJumpContains Subroutine JiSuanFenYa () PA=yA0*P*(1-XA)/(1-0.5*yA0*XA) PB=P*(yB0-0.5*yA0*XA)/(1-0.5*yA0*XA) PC=yA0*P*XA/(1-0.5*yA0*XA) End Subroutine JiSuanFenYa Subroutine JiSuanRA () IF (T748.15) Then keff=7.6915E18*EXP(-76062/R/T) Else keff=1.5128E7*EXP(-35992/R/T) End IF B=48148*EXP(-7355.5/T) K=2.3E-8*EXP(27200/R/T) Kp=2.26203E-5*EXP(11295.3/T) ksi=PC/Kp/PA/SQRT(PB) rA=keff*PB*K*PA/PC*(1-ksi*2)/(SQRT(B+(B-1)*PA/PC)+SQRT(K*PA/PC)*2 End Subroutine JiSuanRA Subroutine GeXianFa() IF (N=1.E-6) GOTO 130 XAe=X End Subroutine JiSuanXAe Subroutine JiSuanXout() bJump = .false. S=0 DT=0. DX=0.00001 T=Tin XA=Xin Call JiSuanXAe() Xmax=(873.15-T)/lmd+Xin IF (Xmax1.0) Xmax=1.0100 Call JiSuanFenYa() Call JiSuanRA() rA0=rA T=T+DT Call JiSuanRA() FT=(rA0-rA)/DT/rA*2 S=S+FT*DX IF (XA=XAe) Then bJump = .true. Return End IF IF (XA=Xmax) Return IF (S0) Then XA=XA+DX T=lmd*DX+T GOTO 100 End IF End Subroutine JiSuanXout Subroutine JiSuanW() Sum=0 T=Tin XA=Xin DX=0.00001110 Call JiSuanFenYa() Call JiSuanRA() rA0=rA FT=1/rA0 Sum=Sum+FT*DX IF (XA=Xout) Return XA=XA+DX T=T+lmd*DX GOTO 110 End Subroutine JiSuanW Subroutine JiSuanT() XA=Xout T=Tout Call JiSuanFenYa() Call JiSuanRA() rA=rA0 T=420+273.15120 Call JiSuanRA() IF (abs(rA-rA0)873.15) Tout=873.15 Call JiSuanW() W=Sum*131/3600 W_sum=W_sum+W Call JiSuanT() Tin = T Xin=Xout IF (i0.98) Then Write (30 , *) Tin_1-273.15 , Xout , , W_sum End IF IF(Tin_1 98%的入口温度Tin、出口转化率Xout、催化剂总装量Wcat。运行结果如下表所示：Tin/XoutWcat/ Kg444.290.9802545237.72444.310.9802445198.73444.320.9802245121.67444.330.9802145083.15444.340.9802045044.62444.350.9801844968.01444.360.9801544853.63444.370.9801444815.44444.380.9801344777.34444.390.9801544852.98444.400.9801144701.28444.410.9801144701.05444.420.9800944625.41444.430.9800744550.00444.440.9800744549.78444.450.9800544474.58444.460.9800444436.98444.470.9800144324.84444.490.9800244361.67从表中可以看出，最佳进口温度为444.47，此时催化剂总装量最小，为44324.84Kg。选定温度为444.47，运行如下主程序：Program mainuse ChemRec Implicit None Integer : i lmd = 23135*yA0/0.2549/(64*yA0+32*yB0+(1-yA0-yB0)*28) Tin_1= 444.47+273.15 Tin = Tin_1 Xin=1.E-10 W_sum=0 i=0200 i=i+1 Call JiSuanXout() Xout=XA Tout=lmd*(Xout-Xin)+Tin IF (Tout873.15) Tout=873.14999 Write (*,*) 第几段反应器 , i Write (*,*) Xout,i=, Xout ,Tout,i , Tout-273.15 Call JiSuanW() W=Sum*131/3600 W_sum=W_sum+W Write (*,*) Wcat,i , W Call JiSuanT() Tin = T Write (*,*) Tin,i+1 , Tin-273.15 Xin=Xout IF (i4) GOTO 200 Write (*,*) 催化剂总量 , W_sumEnd Program main得到结果如下表所示：XinTin/XoutTout/Wcat / Kg总Wcat / Kg10.00000444.470.66917600.004150.8144324.8420.66917450.360.90467505.105764.3430.90467442.760.96240456.1810651.5240.96240420.490.98000424.5923758.17在TX图中画出操作线如下图所示：讨论（1） 运行程序后没有得到转化率达到99%的数据，最高转化率为98.025%，此时入口温度为444.29。故此条件下无法讨论。讨论（2） 在满足yO2ySO221的条件下，改变yA0的值，运行程序，结果如下表所示：yA0Tin /Wcat /Kg0.070465.4012190.720.075454.3013894.310.080443.6516123.800.085433.4519132.120.090423.7523355.99观察上表可以得出结论：在满足题给的条件下，随着入口SO2浓度的增加，使得催化剂总装量最少的入口温度降低，催化剂总装量增加。附录：平衡线、等速率线原始数据温度T/反应速率r(10 -6)0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 4200.98424300.98020.03254350.97790.29004400.97540.48904450.97260.63100.19914500.96960.72900.39810.09264550.96630.79570.54650.30200.07724600.96280.84060.65440.46290.28004650.95890.87040.73190.58350.43754700.95470.88950.78700.67270.55724750.90120.82560.73810.64744800.94530.89810.82670.74410.65834850.94010.89440.82680.74840.66694900.89010.82590.75130.67354950.88530.82410.75290.67845000.9221