§3多段換熱式催化反應(yīng)器多段絕熱式催化反應(yīng)器的特征多段間接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設(shè)計多段直接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設(shè)計多段間接換熱式①平衡線，Tm線不變②冷卻過程中，x不變③各段絕熱線斜率不變④無返混，VR最?、莞毒€調(diào)節(jié)溫度多段原料氣冷激式①平衡線，Tm線不變②冷卻過程中，x變化③各段絕熱線斜率不變④有返混，VR大⑤冷激線調(diào)節(jié)溫度多段原料氣冷激，略去Cp的差異聯(lián)立式(2)、(4)求解，可得2多段間接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設(shè)計1.解析法求解n段，已知V0,x1進，xn出求VR=最小時的各段x，T獨立變量數(shù)2n-1反應(yīng)器體積最小的必要條件為獨立變量催化反應(yīng)工程第一類條件式確定段間間接換熱過程第二類條件式確定各段出口轉(zhuǎn)化率催化反應(yīng)工程第二類條件式第一類條件式2.出口溫度受耐熱溫度限制獨立變量數(shù)n-1，取各段出口轉(zhuǎn)化率xi，出為獨立變量3.直接搜索法最優(yōu)化問題：1)反應(yīng)器催化床體積最小2)產(chǎn)量最大3)能耗最小4)經(jīng)濟效益最大解析法存在的問題：1)VR=min，已推導(dǎo)；但產(chǎn)量=max?經(jīng)濟效益=max?2)有溫度限制時，解析法求解很復(fù)雜。3)直接換熱式反應(yīng)器，如何優(yōu)化？4)不能判斷多維極值的“尖”與“平”催化反應(yīng)工程直接搜索法1）分析獨立變量數(shù)，確定獨立變量設(shè)計型：VR=f(xi,出，Ti,進)=Min操作型：Prod=f(xi,出，Ti,進)=Max必然存在一組(xi,出，Ti,進)使VR=Min，或Prod=Max3)給定初值---得VR(或Prod)---修正---直至VR=Min，或Prod=Max4)如何修正，最優(yōu)化方法，如powell法2)建立數(shù)學(xué)模型3多段直接換熱式反應(yīng)器各段始末溫度及轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化設(shè)計注意：原料氣冷激，∧i相同非原料氣冷激，∧i不相同催化反應(yīng)工程共有5n-1個變量獨立變量數(shù)2n-1,當(dāng)?shù)谝欢芜M口溫度給定，則獨立變量數(shù)維2n-2冷激過程熱量衡算n-1非原料氣冷激冷激過程中物料衡算n-1xi,進，xn,出已知2催化反應(yīng)工程§4多段球形催化床甲醇合成

反應(yīng)器非均相數(shù)學(xué)模型及

優(yōu)化設(shè)計物料衡算催化床非均相數(shù)學(xué)模型甲醇合成反應(yīng)動力學(xué)氣－固相間傳質(zhì)系數(shù)和給熱系數(shù)催化劑內(nèi)擴散效率因子優(yōu)化設(shè)計計算框圖計算結(jié)果1物料衡算獨立反應(yīng)數(shù)2，關(guān)鍵組分?jǐn)?shù)2，yCO，yCO2催化反應(yīng)工程2催化床非均相數(shù)學(xué)模型設(shè)球形反應(yīng)器催化床的內(nèi)半徑為R1，外半徑為R2，假定徑向流動分布均勻，流動中無溝流短路，不存在返混。在催化床中取一半徑為R、厚度為dR的微元殼體，分別對氣相和催化床顆粒進行物料和熱量衡算。物料衡算氣相固相熱量衡算氣相固相整理物料衡算式及熱量衡算式，得Z為混合氣體的壓縮因子。3甲醇合成反應(yīng)動力學(xué)6優(yōu)化設(shè)計對于球形反應(yīng)器串聯(lián)生產(chǎn)裝置，在第一反應(yīng)器進口氣體組成、進口溫度、操作壓力一定的情況下，要達到某一產(chǎn)量，有一組優(yōu)化的操作條件，此時催化床的總體積最小。因此，對于E個球形反應(yīng)器，優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)為式中，R1及R2分別是催化床外半徑及內(nèi)半徑。對上式的分析當(dāng)球形反應(yīng)器催化床內(nèi)徑一定時，影響球形反應(yīng)器催化床體積的因素包括催化床外徑、進出口氣體流量，氣體進出口溫度及組成。由于各反應(yīng)器間是間接換熱過程，第e個反應(yīng)器出口氣體組成、流量即為第e+1個反應(yīng)器進口氣體組成、流量。E個反應(yīng)器串聯(lián)裝置，存在2E-2個獨立變量。當(dāng)E=3時，由于球形反應(yīng)器獨有的特點，獨立變量為3個，即催化床外半徑、第二、三反應(yīng)器進口溫度。獨立變量確定后，用直接搜索法優(yōu)化設(shè)計催化床體積。在優(yōu)化設(shè)計中，各床層的溫度不得超過催化劑的耐熱溫度，因此，優(yōu)化設(shè)計是有約束的最優(yōu)化問題。7計算框圖yes反應(yīng)速率反應(yīng)熱恒壓熱容微分方程組輸入給定初值龍格—庫塔法求解方程求產(chǎn)量=給定值?VR最小輸出調(diào)整R2調(diào)整Tb2,inTb3,inyesnono內(nèi)擴散效率因子傳質(zhì)系數(shù)給熱系數(shù)R2外半徑催化反應(yīng)工程8計算結(jié)果Vin1.8×105m3(STP)/h,yinCO0.1053CO20.0316H20.7640CH3OH0.0055H2O0.0002N20.0499CH40.0435P5Mpa生產(chǎn)能力為100kt/year生產(chǎn)條件：表催化床層中徑向組成和顆粒外表面氣體組成及溫度分布反應(yīng)器R/myi,gtg/℃yi,sts/℃COCO2CH3OHCOCO2CH3OH11.3500.10530.03160.0055210.00.10520.03160.0056210.41.2620.10320.03120.0089217.10.10320.03120.0090217.51.1600.10090.03080.0128225.30.10080.03070.0130225.71.0370.09820.03020.0174234.70.09810.03020.0175235.10.8730.09520.02960.0225245.00.09510.02950.0226245.40.6000.09200.02890.0278255.90.09190.02890.0278256.1表中期操作各反應(yīng)器進出口溫度和氣體組成反應(yīng)器t/℃yiCOCO2CH3OH1進口出口215.0256.20.10530.09340.