反应器大作业(SO2优化).doc

化学反应器理论大作业 二氧化硫转化器最优化学 院： 化学工程学院 班 级： 化研1108 学 号： 2011200126 姓 名： 马树刚 二氧化硫转化器的最优化题目背景：SO21/2O2=SO3，四段绝热反应器，级间间接换热。1. 基础数据：混合物恒压热容 Cp 0.2549kcal/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/hr，要求最终转化率98。2. 动力学方程：式中：3. 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；4. 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. 选做：对优化结果进行校核。 算法简介及计算程序和结果1. 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；段与段之间的转化X1in T1inX1out T1out第一段第二段第三段第四段X2in T2inX2out T2outX3in T3inX3out T3outX4in T4inX4out T4out率。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：第一段： 第一、二段之间：第二段： 第二、三段之间：第三段： 第三、四段之间：第四段： 其中：为绝热温升2. 计算程序和结果2.1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/(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); y3 = sqrt(B+(B-1)*(1-x) / x) + sqrt(k*(1-x) / x); y = keff*k*y1*(1-y2*y2) / (y3*y3); return y; 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,data3);break;case 4:strcopy(filename,data4);break;default:strcopy(filename,data5);fp=fopen(filename,a);if (x-0.0001)1) printf(Xso2= %f T= %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 = 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; do t1=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; t0 = t1; printf(%d tin= %f xin= %en,i+2,t0,xout); i+; xini = xout; tini = t0;/* printf(%d tin= %f xin= %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,%d tin=%f xin=%e tout=%f xou=%en,j+1,tinj,xinj,touj,xouj); wcat = wjifen(xinj,xouj,tinj); printf(%d wcat=%fn,j+1,wcat); fprintf(fp,%d wcat=%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2.1 R=I10-6T/kI=0I=1I=2I=3I=4I=5693.150.9809-698.150.97970.1799-703.150.97820.4225-708.150.97620.59880.1219-713.150.9740.71810.3554-718.150.97150.79650.530.18440.0284-723.150.96860.84740.65440.38630.25850.0784728.150.96550.88020.7410.53730.43650.2903733.150.9620.90080.80070.64730.56920.4536738.150.95820.91320.84130.72650.66640.5761743.150.95410.92020.86830.78280.7370.6669748.150.94960.92350.88570.82240.78760.7336753.150.94470.91920.88340.82370.79090.7398758.150.93940.91460.88040.82390.79280.7444763.150.93380.90940.87670.82310.79350.7474768.150.92780.90380.87250.82140.79320.7491773.150.92130.89780.86760.81880.79190.7497778.150.91440.89130.86220.81540.78970.7492783.150.90710.88440.85620.81130.78660.7477788.150.89940.8770.84960.80650.78270.7453793.150.89120.86910.84260.8010.77810.7421798.150.88260.86080.8350.79480.77280.738803.150.87350.85210.82690.78810.76680.7332808.150.8640.84280.81830.78070.76020.7277813.150.8540.83320.80920.77270.75290.7215818.150.84360.8230.79960.76430.7450.7146823.150.83270.81250.78960.75520.73660.7071828.150.82150.80150.77910.74570.72760.699833.150.80970.790.76820.73570.71810.6904838.150.79760.77820.75680.72520.70810.6812843.150.78510.7660.74510.71420.69770.6716848.150.77220.75340.73290.70290.68680.6614853.150.7590.74050.72040.69120.67550.6508858.150.74540.72730.70760.67910.66380.6398863.150.73150.71370.69440.66660.65180.6285868.150.71740.69990.6810.65390.63940.6167873.150.7030.68580.66730.64080.62680.6047(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段序入口温度（K）入口转化率出口温度（K）出口转化率催化剂用量（kg）第一段717.8000000873.1488336.6766e-014176.348521第二段723.6000006.6766e-01778.5198949.0366e-015802.794136第三段715.9200009.0366e-01729.5056929.6204e-0110778.60990第四段693.1900009.6204e-01697.3881149.8008e-0125189.73005催化剂总用量： 45947.482609kg=45.947T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load 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(:,2);hold onplot(t,x);%操作线y=10(-4) 717.800000; 6.6766e-001 873.148833 ; 6.676600e-001 723.600000; 9.036600e-001 778.519894; 9.036600e-001 715.920000; 9.620400e-001 729.505692; 9.620400e-001 693.190000; 9.800800e-001 697.388114; hold on plot(y(:,2),y(:,1),-.r);得图如下：图3.1平衡线、等速线及操作线图四、讨论1. 由计算结果可知转化率由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=45.946T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=38.125T YSO2=0.090时，Wcat=45.467T图4.2 SO2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。