反應(yīng)工程大作業(yè)

1、反響工程學(xué)期作業(yè)關(guān)于管式換熱器的計算化工0802 王風(fēng)景J10010802322021/5/20一、絕熱管式反響器題設(shè)：在內(nèi)徑為1.22m的絕熱管式反響器中進行乙苯催化脫氫反響進料溫度為898K，反響壓力為0.12MPa。進料為乙苯與水蒸氣的混合物，其摩爾比為1:20。反響的速率方程為式中，p為分壓，下標A、S及H分別代表乙苯、苯乙烯及氫。反響速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)值可根據(jù)以下近似式估算反響混合物的平均比熱容為，反響熱等于。催化劑床層的堆密度為。試計算：（1） 催化劑用量；（2） 反響器的軸向溫度及反響率分布。解析：求解根底：將管式反響器按活塞流反響器處理；將反響按擬均

2、相模型處理；忽略副反響影響。求解思路：求解公式為將式中的用的函數(shù)表述，而實際上等于單位時間單位反響器截面積上流過的乙苯摩爾數(shù)，可以求得具體數(shù)值。因此由求解公式可以得到的函數(shù)，積分函數(shù)式即可求轉(zhuǎn)化率的軸向分布，從而求出反響體積。絕熱反響過程的溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系，因此可由轉(zhuǎn)化率的軸向分布求得軸向溫度分布。求解過程：反響為變摩爾反響，那么將各反響組分的分壓變?yōu)檗D(zhuǎn)化率的函數(shù)： 1 2 3 4將式1、2、3、4代入反響速率方程，結(jié)果為 5此題為絕熱操作，屬變溫情況，需將題給的k及K與溫度的關(guān)系代入式子5 6進料中乙苯與水蒸氣的摩爾比1/20，所以絕熱溫升為由值可得反響過程的溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為 7而

3、將此值及式子6，7代入求解公式可得軸向轉(zhuǎn)化率分布方程8式子8的初值條件為Z=0，XA=0。積分式8即可求轉(zhuǎn)化率的軸向分布，即不同反響器高度所能到達的轉(zhuǎn)化率，從而求出反響體積。這里用龍格-庫塔-吉爾法，用計算機求解。求解的程序為 ：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)由于絕熱反響過程的溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系，由式子7便可算出給定轉(zhuǎn)化率下的溫度。求解結(jié)果列表如下：乙苯脫氫反響器軸向轉(zhuǎn)化率及溫度分布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由表中數(shù)據(jù)，分別以對及以對作圖，如以下圖所示。圖中的兩條曲線即為軸向溫度分布曲線及軸向轉(zhuǎn)化率分布曲線。乙苯脫氫反響器的軸向溫度及轉(zhuǎn)化率分布為了求出轉(zhuǎn)化

7、率到達60%所需要的催化劑量，需要決定相應(yīng)的床層高度。但是，表沒有轉(zhuǎn)化率剛好等于60%的計算結(jié)果，根據(jù)與60%相接近的數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，不會帶來大的誤差。于是，轉(zhuǎn)化率到達60%的床層高度為催化劑用量二、非絕熱變溫管式反響器題設(shè)：采用144根直徑為0.101m的反響管并聯(lián)操作，以代替上題中直徑為1.22m的絕熱管式反響器進行乙苯催化劑脫氫反響。這些反響管外用溫度恒定為1100K的煙道氣加熱，煙道氣與反響管內(nèi)反響氣體間的總傳熱系數(shù)為2.85W/(m2.k)。其他條件和要求同上題。試計算反響器的軸向轉(zhuǎn)化率及溫度分布，以及乙苯轉(zhuǎn)化率達60%時所需要的催化劑量。解析：求解根底：將管式反響器按活塞流反響器

8、處理；將反響按擬均相模型處理；忽略副反響影響。求解思路：求解公式為 A B式A中可以用及的函數(shù)表述，而等于單位時間單位反響器截面積上流過的乙苯摩爾數(shù)，為一具體數(shù)值。因此式A可以表示為的函數(shù)。式B兩端同除以，代入各相關(guān)數(shù)值，可以整理為的函數(shù)。轉(zhuǎn)化后的兩式為一階微分方程組，采用龍格-庫塔-吉爾法求解。可得溫度T及轉(zhuǎn)化率的軸向分布。轉(zhuǎn)化率為60%時所需要的催化劑量，按線性內(nèi)插法確定床層高度后即可求定。求解過程：此反響器為非絕熱變溫管式反響器。144根反響管并聯(lián)，只考察一根反響管即可。因為144根并聯(lián)反響器的總橫截面積正好與直徑為1.22m的絕熱反響器的橫截面相等，所以兩者都是在同一質(zhì)量速度下操作，且

9、進料組成又相同，因而上題中由無物料衡算所建立的軸向轉(zhuǎn)化率分布方程式8亦適用此題。此題與上題的差異只在于反響溫度T與轉(zhuǎn)化率不再成線性關(guān)系。將8式改寫成： C乙苯的進料量為，而乙苯與水蒸氣的摩爾比為1/20，故水蒸氣的參加量為 ，因之反響物物料的質(zhì)量速度將式B兩端同除以，代入各相關(guān)數(shù)值，可得： D此即為軸向溫度分布方程。式CD均為一階微分方程，其初值條件為Z=0，XA=0，T=898K。此方程組只能用數(shù)值法求解，這里采用龍格-庫塔-吉爾法，用計算機求解。求解的程序為：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')求解結(jié)果列表如下：乙苯催化脫氫反響器的軸向轉(zhuǎn)化率及溫度分布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