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1、3 多段换热式催化反应器多段换热式催化反应器多段原料气冷激，略去多段原料气冷激，略去Cp的差异的差异催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件联立式联立式(2)、(4)求解，可得求解，可得催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件1.解析法求解解析法求解二二 多段间接换热式反应器各段始末温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度及转化率的优化设计催化反应工程催化反应工程n段，已知段，已知V0,
2、x1进进，xn出出求求VR=最小时的各段最小时的各段x，T催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程X1，进进 ，XN，出出 已知已知 2个个X i+1，进，进=X i，出，出 n-1个方程个方程T i，出，出-T i，进，进=(X i,出出-X i，进，进) n个方程个方程0 0标准接触时间，标准接触时间，hVS 0标准状态下初始态体积流量，标准状态下初始态体积流量，m3(stp)/h催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件独立变量数独立变量数2n-1反应器体积最小的必要条件反应器体积最小的必要条件催化反应工程催化反应工程为独立变量为独立
3、变量催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件第一类条件式确定段间间接换热过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第二类条件式确定各段出口转化率催化反应工程催化反应工程第二类条件式第二类条件式第一类条件式第一类条件式催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件2. 出口温度受耐热温度限制出口温度受耐热温度限制独立变量数独立变量数n-1，取各段出口转化率取各段出口转化率xi，出出为独立变量为独立变量催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催
4、化反应器课件3. 直接搜索法直接搜索法最优化问题：最优化问题：1)反应器催化床体积最小反应器催化床体积最小 2)产量最大产量最大 3)能耗最小能耗最小 4)经济效益最大经济效益最大解析法存在的问题：解析法存在的问题：1)VR=min，已推导；但产量已推导；但产量=max?经济效经济效 益益=max?2)有温度限制时，解析法求解很复杂。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？直接换热式反应器，如何优化？4)不能判断多维极值的不能判断多维极值的“尖尖”与与“平平”催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件直接搜索法直接搜索法催化反应工程
5、催化反应工程1）分析独立变量数，确定独立变量）分析独立变量数，确定独立变量设计型：设计型：VR=f(x i,出出，T i,进进)=Min操作型：操作型：Prod=f(x i,出出，T i,进进)=Max 必然存在一组必然存在一组(x i,出出，T i,进进)使使VR=Min，或，或Prod=Max催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程3)给定初值给定初值-得得VR(或或Prod)-修正修正-直至直至VR=Min，或，或Prod=Max4)如何修正，最优化方法，如如何修正，最优化方法，如powell法法2)建立数学模型建立数学模型催化反应工程华东理工大学
6、第五次课多段换热式催化反应器课件5)若在改变初值的过程中发现下述现象，若在改变初值的过程中发现下述现象，改变搜索方向改变搜索方向T i,进进催化剂耐热温度催化剂耐热温度注意：直接搜索法求得的结果，判别注意：直接搜索法求得的结果，判别催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件三三 多段直接换热式反应器各段始末温多段直接换热式反应器各段始末温 度及转化率的度及转化率的 优化设计优化设计注意：原料气冷激，注意：原料气冷激，i i相同相同 非原料气冷激，非原料气冷激，i i不相同不相同催化反应工程催化反应工程共有共有5n-1个变量个变量催化反应工程华东理工大学第五
7、次课多段换热式催化反应器课件独立变量数独立变量数2n-1,当第一段进口温度给定，则独立变量数维当第一段进口温度给定，则独立变量数维2n-2催化反应工程催化反应工程冷激过程热量衡算冷激过程热量衡算 n-1 非原料气冷激非原料气冷激冷激过程中物料衡算冷激过程中物料衡算 n-1n-1x i,进进，x n,出出已知已知 2 催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件4 多段换热式催化反应器设计实例多段换热式催化反应器设计实例实例一实例一 四段原料气冷四段原料气冷激式甲醇合成反应器激式甲醇合成反应器催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件1 物料衡算
8、物料衡算催化反应工程催化反应工程独立反应数独立反应数2，关键组分数，关键组分数2，yCO，yCO2催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件2. 催化床微分方程的建立催化床微分方程的建立催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程热量衡算热量衡算催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件3. 冷激过程物料、热量衡算冷激过程物料、热量衡算催化反应工程催
9、化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件4. 独立变量独立变量催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件4)甲醇产量甲醇产量 给定给定 15)原料气已知，第原料气已知，第1段进口温度已知段进口温度已知 31) 微分方程组微分方程组 3n2) 冷激过程冷激过程 4(n-1)催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件5. 基础数据基础数据1)动力学方程动力学方程 2)反应热反应热 3)恒压热容恒压热容催化反应工程催化反应工程独立变量数独立变量数 (8n+n-1)-(7n-1)=2n-2四段冷激式，
10、独立变量数四段冷激式，独立变量数6催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件6. 计算框图计算框图,冷激过程计算冷激过程计算yes反应速率反应速率反应热反应热恒压热容恒压热容微分方程组微分方程组段间冷激段间冷激输入输入给定初值给定初值龙格龙格库塔法求得第一段库塔法求得第一段第第4段床层段床层产量产量=给定值给定值?VR最小最小输出输出调整调整L4调整调整yesnono催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件7. 计算结果计算结果Vin 2105 m3 (STP)/h ,yin CO 0.1053, CO2 0.0316, H2 0.7640
11、, CH3OH 0.0055 H2O 0.0002, N2 0.0499, CH4 0.0435P 5 Mpa 催化床直径催化床直径 2 m, 得得VR 28.7 m3 , 产量产量300 t/dTF=0.8时计最优化操作参数时计最优化操作参数 催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件第五章第五章 连续换热式催化反应器连续换热式催化反应器1 反应器类型反应器类型连续换热式连续换热式 1)自热式，催化剂装在冷管间自热式，催化剂装在冷管间2) 供热式供热式(或移热式或移热式)，催化剂装在列管内，催化剂装在列管内(或管间或管间)2 反应器数学模型反应器数学模型
12、一一 连续换热式氨合成反应器连续换热式氨合成反应器 (举例三套管并流式举例三套管并流式) 催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件1 物料衡算物料衡算催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件2. 微分方程的建立微分方程的建立催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程热量衡算热量衡算催化反应工程华东
13、理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程绝热段绝热段催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程冷却段热量衡算冷却段热量衡算床层床层冷管内冷管内催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程冷却段冷却段催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件F(ta0)e3 计算框图计算框图反应速率反应热、热容粘度、导热系数传热系数绝热段微分方程冷却段微分方程输入求绝热段假设ta0求冷却段输出调整ta0noyes催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工
14、程催化反应工程冷管出口气体温度等于床层进口温度冷管出口气体温度等于床层进口温度tae=ta0是是ta0的函数的函数催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件3)VSP，yNH3，产量产量，p4) TF，th下移，下移，yNH3，产量产量，tai5) H2/N2 32.82.8，生产温度，生产温度，有一较适合的有一较适合的H H2 2/N/N2 24. 结果与讨论结果与讨论1) tb0变化，生产强度变化，有一较佳的变化，生产强度变化，有一较佳的tb02)tb0，tai，然后然后tb0，tai，热平衡问题热平衡问题催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化
15、反应器课件催化反应工程催化反应工程5 热稳定性热稳定性自热过程自热过程 tb0tbete tb0ta0(tai)操作状态点稳定的条件操作状态点稳定的条件 副线开启度副线开启度比较：比较： =0 tsh,outtai 开副线，满足开副线，满足tai=ta0催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程换热器换热器 tbetai的关系，催化床操作线，换热器操作线，的关系，催化床操作线，换热器操作线，在一定在一定值下，值下，换热器操作线左移换热器操作线左移催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件催化反应工程催化反应工程催化反应工程华东理工大学第五次课多段换热式催化反应器课件
