反应器大作业(SO2优化)2.pdf

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1、化学反应器理论大作业化学反应器理论大作业二氧化硫转化器最优化二氧化硫转化器最优化学学院：院：班班级：级：学学号：号：名：名：化学工程学院化学工程学院化研化研 11081108化学反应器理论大作业二氧化硫转化器的最优化二氧化硫转化器的最优化题目背景：题目背景：SOSO2 21/2O1/2O2 2=SO=SO3 3，四段绝热反应器，四段绝热反应器，级间间接换热。级间间接换热。1.1.基础数据：基础数据：混合物恒压热容 Cp0.2549kcal/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/

2、hr，要求最终转化率 98。2.2.动力学方程：动力学方程：RSO2 keffPO2式中：K PSO2PSO312B B 1PSO2PSO3K PSO2PSO32mol/gcat.sec76062keff 7.69151018expRT35992keff1.5128107expRT7355.5B 48148expT27200K 2.3108expRT1 PSO3K PPPSO2O2211295.3KP 2.26203105expT420475 Co475600 CoR 1.9873.3.基本要求：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

3、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；(3)程序用 C，Fortran，BASIC 语言之一编制；1化学反应器理论大作业4.4.讨论：讨论：(1)要求的最终转化率从 97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。5.5.选做选做：对优化结果进行校核。算法简介及计算程序和结果算法简介及计算程序和结果1.1.解题思路解题思路已知第一段入口和最后一段出口的转化率；第一段入口反应物浓度，各物性参数；段与段间采用间接冷却。可改变的参数为各段的入口温度；段与段之间的

4、转化率。第三段第三段第二段第二段X1inT1in第一段第一段X1outT1outX2inT2inX2outT2outX3inT3inX3outT3outX4inT4in第四段第四段X4outT4out图 2.1 反应流程图由上述反应流程图分析可知：根据已知的入口组成，设定入口温度，根据反应速率对入口温度所求偏导数在这一段内对组成的积分为零可以求得此段出口转化率和出口温度，即得到下一段的入口转化率，又根据前一段的出口速率等于后一段的入口速率，可以求得下一段的入口温度；这样又可以计算下一段的出口情况。这样反复计算直至求出最后的出口情况。判断此出口情况是否满足题给条件（转化率达到 98%），若不满足

5、条件，则应重新假设再进行计算。这样反复寻优直至满足条件。计算公式如下：2化学反应器理论大作业第一段：X1outX1in1r1dx 02r1T1in第一、二段之间：r1(X1out,T1out)r2(X2in,T2in)第二段：X2outX2in1r2dx 02r2T2in第二、三段之间：r2(X2out,T2out)r3(X3in,T3in)第三段：X3outX3in1r3dx 0r32T3in第三、四段之间：r3(X3out,T3out)r4(X4in,T4in)第四段：X4outX4in1r4dx 0r42T4inT TO(X XO)其中：为绝热温升2.2.计算程序和结果计算程序和结果2.

6、1 平衡线及等速率线的计算程序：利用反应速度表达式，代入不同的速度值来确定不同温度下的转化率，从而求取等速率线和平衡线（速度等于 0）。程序如下：#include math.h#include stdio.h#include iostream.h#include stdlib.hconst double R=1.987;void strcopy(char*str1,char*str2)for(int i=0;i=693.15&t=748.15&t=873.15)keff=1.5128*pow(10,7)*exp(-35992/(R*t);k=2.3*pow(10,-8)*exp(27200/(

7、R*t);y1=(0.09-0.04*x)/(1-0.04*x)*(0.08-0.08*x)/(1-0.04*x)/(0.08*x/(1-0.04*x);y2=(0.08*x/(1-0.04*x)/(0.08-0.08*x)/(1-0.04*x)*sqrt(0.09-0.04*x)/(1-0.04*x)*2.26203*pow(10,-5)*exp(11295.3/t);B=48148*exp(-7355.5/t);3化学反应器理论大作业y3=sqrt(B+(B-1)*(1-x)/x)+sqrt(k*(1-x)/x);y=keff*k*y1*(1-y2*y2)/(y3*y3);return y

8、;void main()double x,t,d;double r0=0,step=0.0001;FILE*fp;char filename6;for(int i=0;i=1)goto next;d=fabs(pow(10,5)*rate(x,t)-pow(10,5)*r0);while(d0.001);switch(i)case 0:strcopy(filename,data0);break;case 1:strcopy(filename,data1);break;case 2:strcopy(filename,data2);break;case 3:strcopy(filename,dat

9、a3);break;case 4:strcopy(filename,data4);break;default:strcopy(filename,data5);fp=fopen(filename,a);if(x-0.0001)1)printf(Xso2=%fT=%fn,x-0.0001,t);fprintf(fp,%f%fn,x-0.0001,t);fclose(fp);next:t+=5;while(t0?x:(-x);double r(double x,double t)double y,y1,y2,y3,keff,k,b;if(t=693.15&t=748.15&t873.15)xout=

10、x1;goto end;sum=sum+h*(fun1(x1,t1)+fun1(x2,t2)/20;x1=x2;while(sum0);xout=x1-h/10;end:return(xout);double wjifen(double xin,double xou,double tin)double x1=xin,x2,t1,t2,sum=0.0,wcat;dot1=t(tin,xin,x1);x2=x1+h;t2=t(tin,xin,x2);sum=sum+(1/r(x1,t1)+1/r(x2,t2)*h/2000;x1=x2;while(x2h);x0=xout;6化学反应器理论大作业t

11、0=t1;printf(%dtin=%fxin=%en,i+2,t0,xout);i+;xini=xout;tini=t0;/*printf(%dtin=%fxin=%en,i+1,tini,xini);*/while(i=3);t00=t00-0.1;printf(nn);while(x0=0.98);FILE*fp;fp=fopen(data.txt,w);for(j=0;j=3;j+)printf(%d%f%e%f%en,j+1,tinj,xinj,touj,xouj);fprintf(fp,%dtin=%fxin=%etout=%fxou=%en,j+1,tinj,xinj,touj,

12、xouj);wcat=wjifen(xinj,xouj,tinj);printf(%dwcat=%fn,j+1,wcat);fprintf(fp,%dwcat=%fn,j+1,wcat);wsum=wsum+wcat;printf(wsum=%fn,wsum);fclose(fp);2.3 运行结果(1)等速线和平衡线程序运算结果：（其中 R 为反应速率；T（K）为反应温度;表内主体为各反应速率下对应系列温度的 SO2转化率；）表 2.1R=I10-6T/k693.15698.15703.15708.15713.15718.15723.15728.15733.15738.15743.15748

13、.15753.15I=00.98090.97970.97820.97620.9740.97150.96860.96550.9620.95820.95410.94960.9447I=1-0.17990.42250.59880.71810.79650.84740.88020.90080.91320.92020.92350.9192I=2-0.12190.35540.530.65440.7410.80070.84130.86830.88570.88347I=3-0.18440.38630.53730.64730.72650.78280.82240.8237I=4-0.02840.25850.4365

14、0.56920.66640.7370.78760.7909I=5-0.07840.29030.45360.57610.66690.73360.7398化学反应器理论大作业758.15763.15768.15773.15778.15783.15788.15793.15798.15803.15808.15813.15818.15823.15828.15833.15838.15843.15848.15853.15858.15863.15868.15873.150.93940.93380.92780.92130.91440.90710.89940.89120.88260.87350.8640.8540

15、.84360.83270.82150.80970.79760.78510.77220.7590.74540.73150.71740.7030.91460.90940.90380.89780.89130.88440.8770.86910.86080.85210.84280.83320.8230.81250.80150.790.77820.7660.75340.74050.72730.71370.69990.68580.88040.87670.87250.86760.86220.85620.84960.84260.8350.82690.81830.80920.79960.78960.77910.7

16、6820.75680.74510.73290.72040.70760.69440.6810.66730.82390.82310.82140.81880.81540.81130.80650.8010.79480.78810.78070.77270.76430.75520.74570.73570.72520.71420.70290.69120.67910.66660.65390.64080.79280.79350.79320.79190.78970.78660.78270.77810.77280.76680.76020.75290.7450.73660.72760.71810.70810.6977

17、0.68680.67550.66380.65180.63940.62680.74440.74740.74910.74970.74920.74770.74530.74210.7380.73320.72770.72150.71460.70710.6990.69040.68120.67160.66140.65080.63980.62850.61670.6047(2)关于催化剂用量程序运算结果以下为运行结果：（经运算，满足给定条件的第一段最高入口温度为 717.80K，此时可得到最少的催化剂用量）表 2.2段序第一段第二段第三段第四段入口温度（K）717.800000723.600000715.920

18、000693.190000入口转化率06.6766e-019.0366e-019.6204e-01出口温度（K）873.148833778.519894729.505692697.388114出口转化率6.6766e-019.0366e-019.6204e-019.8008e-01催化剂用量（kg）4176.3485215802.79413610778.6099025189.73005催化剂总用量：45947.482609kg=45.947T8化学反应器理论大作业三、平衡线、等速线及操作线图三、平衡线、等速线及操作线图根据以上数据利用 Matlab进行编辑得图，程序如下：%平衡线和等速线loa

19、d data0;x=data0(:,1);t=data0(:,2);plot(t,x,r);load data1;x=data1(:,1);t=data1(:,2);hold onplot(t,x,g);load data2;x=data2(:,1);t=data2(:,2);hold onplot(t,x);load data3;x=data3(:,1);t=data3(:,2);hold onplot(t,x,y);load data4;x=data4(:,1);t=data4(:,2);plot(t,x);hold onload data5;x=data5(:,1);t=data5(:,

20、2);hold onplot(t,x);%y=10(-4)717.800000;操作线6.6766e-001 873.148833;6.676600e-001 723.600000;9.036600e-001 778.519894;9.036600e-001 715.920000;hold on9.620400e-001 729.505692;9.620400e-001 693.190000;9.800800e-001 697.388114;plot(y(:,2),y(:,1),-.r);9化学反应器理论大作业得图如下：图3.1平衡线、等速线及操作线图四、讨论四、讨论1.1.由计算结果可知转化

21、率由 97%变化到 98%时,随着转化率的升高（98%变化到99%的结果程序中无法输出，但是由分析可知其结论是一样），催化剂的用量显著升高，上升的幅度很大。即当转化率很高时，再提高很小的转化率时，结果所需的催化剂的量大大增加。这可能由于达到较高转化率时进一步提高转化率，反应物浓度很低，反应物被吸附到催化剂表面参与反应的几率降低，因而要继续提高转化率需保证更大催化接触表面，因而催化剂用量大幅增加。由如下计算结果即可知。X=97.0%时，Weightcat=23.491TX=97.5%时，Weightcat=37.890TX=98.0%时，Weightcat=45.946T10化学反应器理论大作业

22、5045催化剂用量（T）40353025200.970.9720.9740.9760.9780.98SO2转化率图 4.1 SO2转化率与催化剂用量关系图2、YO2YSO221，SO2进口浓度在 79之间变化时：YSO2=0.070 时，Wcat=26.087TYSO2=0.075 时，Wcat=29.196TYSO2=0.080 时，Wcat=33.108TYSO2=0.085 时，Wcat=38.125TYSO2=0.090 时，Wcat=45.467T494745434139373533312927250.07所需要的催化剂用量0.0750.080.0850.09二氧化硫的入口含量0.095图 4.2SO2入口含量与所需催化剂量关系图可以看出，随着 SO2入口含量的增加，催化剂的用量也随之增加，而且其变化的相对量也在增加，其原因可能是由于在 SO2和 O2总含量不变的情况下，因为 O2相对 SO2大大过量，增加SO2含量相当于提高了反应物浓度。在转化率不变条件下，需要催化剂提供更大表面积作为它们的反应场所，故而需要更多的催化剂。11