1、會計學1催化反應工程催化反應工程(gngchng)華東理工大學多華東理工大學多段換熱式催化反應器段換熱式催化反應器第一頁，共35頁。 平衡線，平衡線，Tm線不變線不變 冷卻過程冷卻過程(guchng)中，中，x不變不變 各段絕熱線斜率不變各段絕熱線斜率不變 無返混，無返混，VR最小最小 付線調節溫度付線調節溫度第1頁/共34頁第二頁，共35頁。 平衡平衡(pnghng)線，線，Tm線不變線不變 冷卻過程中冷卻過程中，x變化變化 各段絕熱線斜率不變各段絕熱線斜率不變 有返混，有返混，VR大大 冷激線調節溫度冷激線調節溫度第2頁/共34頁第三頁，共35頁。 逐段逐段Te， Tm線上移線上移 冷卻過

2、程中，冷卻過程中，x不變不變 各段絕熱線斜率上移各段絕熱線斜率上移 一般放在最后兩段之間一般放在最后兩段之間 閥門閥門(f mn)調節溫度調節溫度第3頁/共34頁第四頁，共35頁。 121進出NNNC 22211進進出出xNxN 32211進進出出TNTNTNCC第4頁/共34頁第五頁，共35頁。 得式代入將出進,312NNNC 42211CCTTNTTN進進出出聯立式聯立式(l sh)(2)、(4)求解，求解，可得可得CCCCTTTTxxTTxTTx進出進出進進出出21212211第5頁/共34頁第六頁，共35頁。2 多段間接換熱式反多段間接換熱式反niiSiniiSniiRRVVVV100

3、01, 01,n段，已知段，已知V0, x1進進，xn出出求求VR=最小時最小時(xiosh)的各的各段段x，T第6頁/共34頁第七頁，共35頁。,00SRVVX1，進，進 ，XN，出出 已知已知 2個個X i+1，進，進=X i，出，出 n-1個方程個方程(fngchng)T i，出，出-T i，進，進=(X i,出出-X i，進，進) n個方程個方程(fngchng)個變量出進出進nTTxxfViiiiR4,00標準標準(biozhn)(biozhn)接觸時間，接觸時間，h hVS 0標準狀態下初始態體積流量，標準狀態下初始態體積流量，m3(stp)/h催化反應工程催化反應工程第7頁/共3

4、4頁第八頁，共35頁。進進出出，選, 1, 1, 1nnTTxx進出,iiRTxfV 0,ijxTiRjixV出進進0,ijTxiRjiTV進出進獨立獨立(dl)變量數變量數2n-1反應器體積反應器體積(tj)最小的必要條件最小的必要條件為獨立為獨立(dl)變量變量催化反應工程催化反應工程第8頁/共34頁第九頁，共35頁。第一類條件式確定段間間接第一類條件式確定段間間接(jin ji)換熱過換熱過程程第二類條件式確定各段出口轉化率第二類條件式確定各段出口轉化率催化反應工程催化反應工程(gngchng)出出,1, 0, 0iiiixx第二類條件第二類條件(tiojin)式式0,1, 0, 0出出

5、即iiiixx第一類條件式第一類條件式0,0進iT第9頁/共34頁第十頁，共35頁。個進出進出nxxTTTiiiii,max,0,出iRxV0,1,出進進出出出iiiiRiiRiiRiRxTTVxVxVxV2. 出口溫度受耐熱出口溫度受耐熱(nai r)溫度溫度限制限制獨立變量獨立變量(binling)數數n-1，取各段出口轉化率取各段出口轉化率xi，出為獨立變量，出為獨立變量(binling)第10頁/共34頁第十一頁，共35頁。iiixT出進,0,1,進出出出iiRiiiRiiRiRTVxVxVxV0, 0,1, 0, 0, 0進出出出即iiiiiiiiiTxxx催化反應工催化反應工程程(

6、gngchng)第11頁/共34頁第十二頁，共35頁。3. 直接直接(zhji)搜搜索法索法最優化問題最優化問題(wnt)：1)反應器催化床體積最小反應器催化床體積最小 2)產量最大產量最大 3)能耗最小能耗最小 4)經濟效益最大經濟效益最大解析解析(ji x)法存在的問題：法存在的問題：1)VR=min，已推導；但產量，已推導；但產量=max?經濟效經濟效 益益=max?2)有溫度限制時，解析有溫度限制時，解析(ji x)法求解很復雜。法求解很復雜。3)直接換熱式反應器，如何優化？直接換熱式反應器，如何優化？4)不能判斷多維極值的不能判斷多維極值的“尖尖”與與“平平”催化反應工程催化反應工程

7、第12頁/共34頁第十三頁，共35頁。直接直接(zhji)搜搜索法索法1）分析）分析(fnx)獨立變量數，確定獨立變量獨立變量數，確定獨立變量設計設計(shj)型：型：VR=f(x i,出，出，T i,進進)=Min操作型：操作型：Prod=f(x i,出出，T i,進進)=Max 必然存在一組必然存在一組(x i,出出，T i,進進)使使VR=Min，或，或Prod=Max第13頁/共34頁第十四頁，共35頁。3)給定初值給定初值-得得VR(或或Prod)-修正修正(xizhng)-直至直至VR=Min，或，或Prod=Max4)如何修正如何修正(xizhng)，最優化方法，如，最優化方法，

8、如powell法法2)建立建立(jinl)數數學模型學模型第14頁/共34頁第十五頁，共35頁。出出,1,0,0iiiixx5)若在改變初值的過程若在改變初值的過程(guchng)中發現下述現象，中發現下述現象，改變搜索方向改變搜索方向T i,進進催化劑耐熱催化劑耐熱(nai r)溫度溫度注意：直接搜索法求得的結果，判別注意：直接搜索法求得的結果，判別第15頁/共34頁第十六頁，共35頁。iiiiiRTTxxfV,出進出進個，進出進出nxxTTiiiii,3 多段直接換熱式反應器各段始末多段直接換熱式反應器各段始末(shm)溫溫 度及轉化率的度及轉化率的 優化設計優化設計注意：原料注意：原料(

9、yunlio)氣冷激，氣冷激，i相同相同 非原料非原料(yunlio)氣冷激，氣冷激，i不不相同相同催化反應工程催化反應工程(gngchng)共有共有5n-1個變量個變量第16頁/共34頁第十七頁，共35頁。進進出出, 1, 1,ipicpciipiTCNTCNTCN獨立變量獨立變量(binling)數數2n-1,當第一段進口溫度給定，則獨立變量當第一段進口溫度給定，則獨立變量(binling)數數維維2n-2進進出出, 1, 1,iiiixNxN冷激過程冷激過程(guchng)熱量衡算熱量衡算 n-1 非原料非原料(yunlio)氣冷激氣冷激冷激過程中物料衡算冷激過程中物料衡算 n-1n-1

10、x i,進進，x n,出出已知已知 2 催化反應工催化反應工程程第17頁/共34頁第十八頁，共35頁。4 多段球形催化床甲醇合成多段球形催化床甲醇合成(hchng) 反應器非均相數學模型及反應器非均相數學模型及 優化設計優化設計物料衡算物料衡算催化床非均相數學模型催化床非均相數學模型甲醇合成反應動力學甲醇合成反應動力學氣固相間傳質系數和給熱系數氣固相間傳質系數和給熱系數催化劑內擴散效率因子催化劑內擴散效率因子(ynz)優化設計優化設計計算框圖計算框圖計算結果計算結果第18頁/共34頁第十九頁，共35頁。第19頁/共34頁第二十頁，共35頁。OHCHHCO322OHOHCHHCO23223獨立反

11、應獨立反應(fnyng)數數2，關鍵組分數，關鍵組分數2，yCO，yCO2第20頁/共34頁第二十一頁，共35頁。TinTinCOinCOCOCOTinTNNCyyyyNN,22122122令22223232,COCOinCOinCOinHHyyCyyyy22,COCOinCOinCOinmmyyCyyyy2222,COinCOinOHOHyCyyyCyyinNN,22CyyinCHCH,44催化反應工催化反應工程程(gngchng)第21頁/共34頁第二十二頁，共35頁。)(4,2,SCOgCOeCOggCOccSdRkRdN)(4,2,2222SCOgCOeCOggCOccSdRkRdN)

12、(,SCOgCOeCOgsCOsCObccSkrCOR)(,22222SCOgCOeCOgsCOsCObccSkrCOR)(42gsesgpTTTSdRRdTCN)()()(222,gsesCOsCOsCOCOsCOsCObTTSHrHrCOR物料(w lio)衡算 氣相固相熱量衡算 氣相固相第22頁/共34頁第二十三頁，共35頁。COCOCOinCOinCOTCOTCOyyyyyNyNN221221221,222122221221,COCOCOinCOinCOTCOTCOyyyyyNyNN22221 COCOCOCOCOdyydyyDDdNCOCOCOCOCOdyydyyDDdN222221

13、 2,221221221COCOinCOinCOTyyyyNDD式中式中催化反應工催化反應工程程(gngchng)第23頁/共34頁第二十四頁，共35頁。gCOgCOsCOsCOgCOsCOsCOgCObyyyryryCORRdRdgCO,2222,2212)21 (4gCOgCOsCOsCOgCOsCOsCOgCObyyyryryCORRdRdgCO,222222,22212)21 (4)()(4222,2COsCOsCOCOsCOsCOpTbgHrHrCNCORRdRdTssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,ssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZR

14、PSkrCOR,22222)()()(222,gsesCOsCOsCOCOsCOsCObTTSHrHrCORZ為混合為混合氣體的壓氣體的壓縮縮(y su)因子因子。第24頁/共34頁第二十五頁，共35頁。)()(4222,2COsCOsCOCOsCOsCOpTbgHrHrCNCORRdRdTssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,ssCOggCOgeCOgsCOsCObTyTyZRPSkrCOR,22222)()()(222,gsesCOsCOsCOCOsCOsCObTTSHrHrCOR3121222221)1 (HHCOCOCOCOHCOCOCOfKfKfKffk

15、dWdNr4221222222221)1 (HHCOCOCOCOHCOCOCOfKfKfKffkdWdNr第25頁/共34頁第二十六頁，共35頁。386. 082. 032365. 0765. 0pepeBfgfgiDRRDGkJ35. 0323023. 0876. 2pepemfpmgpmmsHRRMCGCMJ上式中的Rep適用范圍為5000。第26頁/共34頁第二十七頁，共35頁。第27頁/共34頁第二十八頁，共35頁。ERRVFEee)(3432311式中，R1及R2分別是催化(cu hu)床外半徑及內半徑。第28頁/共34頁第二十九頁，共35頁。第29頁/共34頁第三十頁，共35頁。、

16、gCOy,、gCOy,2gTyes反應反應(fnyng)速率速率反應熱反應熱恒壓熱容恒壓熱容(r rn)微分方程組微分方程組輸入輸入給定初值給定初值龍格龍格庫塔法求庫塔法求解方程解方程 求求產量產量=給定值給定值?VR最小最小輸出輸出調整調整R2調整調整Tb2,inTb3,inyesnono內擴散內擴散效率因子效率因子傳質系數傳質系數給熱系數給熱系數R2外半徑外半徑、sCOy,、sCOy,2sT催化反應工程催化反應工程第30頁/共34頁第三十一頁，共35頁。Vin 1.8105 m3 (STP)/h ,yin CO 0.1053 CO2 0.0316 H2 0.7640 CH3OH 0.005

17、5 H2O 0.0002 N2 0.0499 CH4 P 5 Mpa 生產能力生產能力(shn chn nn l)為為 100 kt/year生產生產(shngchn)條件：條件：第31頁/共34頁第三十二頁，共35頁。反應器反應器R/myi,gtg/yi,sts/ COCO2CH3OHCOCO2CH3OH11.3500.10530.03160.0055210.00.10520.03160.0056210.41.2620.10320.03120.0089217.10.10320.03120.0090217.51.1600.10090.03080.0128225.30.10080.03070.0

18、130225.71.0370.09820.03020.0174234.70.09810.03020.0175235.10.8730.09520.02960.0225245.00.09510.02950.0226245.40.6000.09200.02890.0278255.90.09190.02890.0278256.1第32頁/共34頁第三十三頁，共35頁。反應器t/yiCOCO2CH3OH1進口出口215.0256.20.10530.09340.03160.02910.00550.02552進口出口218.0257.20.09340.08150.02910.02730.02550.04463進口出口223.0254.20.08150.