H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型及优化方法技术方案

本发明专利技术属于H2SO4分解技术领域，公开了一种H2SO4分解子系统模块化单元反应器及熵产率最小化优化方法，建立H2SO4分解反应器与SO3膜反应器相结合的系统模型；使用高温氦气作为热源对反应器加热，利用最优控制理论以模块化单元反应器系统总熵产率最小化为目标，求解模块化单元反应器系统的最优构型。本发明专利技术优化后反应器总熵产率相比参考反应器减小了5.3％，其中传热过程熵产率减小了7.9％，流动过程总熵产率降低了9.1％，化学反应过程的总熵产率增加了0.8％，但H2SO4分解反应过程熵产率减小了35.0％，SO3分解过程的熵产率增加了13.4％，这表明优化后反应器强化了SO3分解过程。分解过程。分解过程。

【技术实现步骤摘要】
H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型及优化方法


[0001]本专利技术属于H2SO4分解
，尤其涉及一种H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型及优化方法。

技术介绍

[0002]目前，H2SO4分解反应过程实际上分为两个过程：H2SO4首先分解成SO3和H2O，然后SO3进一步分解成SO2和O2。在耦合高温氦气的硫碘循环H2SO4分解子系统中，由于两个分解过程的反应温度存在差异，因此需要在不同的反应器内完成。在硫酸分解子系统中，由Bunsen反应生成的H2SO4经过纯化、浓缩、蒸馏得到硫酸的共沸溶液。然后经蒸发器后得到H2SO4和H2O的混合气体，此时已有部分的H2SO4分解成为SO3，最后依次通过H2SO4分解反应器和SO3分解反应器得到SO2和O2。目前已开展的研究大都以SO3分解反应器为单独的研究目标，对基于高温氦气加热的H2SO4分解及SO3膜反应器相结合的反应器模块化单元研究较少，对两种反应器系统研究有利于找到更加合适的参数提升反应器系统的整体性能。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前已开展本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法，其特征在于，所述H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法包括：建立H2SO4分解反应器与SO3膜反应器相结合的系统模型；使用高温氦气作为热源对反应器加热，利用最优控制理论以模块化单元反应器系统总熵产率最小化为目标，求解模块化单元反应器系统的最优构型。2.如权利要求1所述的H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法，其特征在于，所述系统模型的建立包括：H2SO4的热分解分为两个子反应：的热分解分为两个子反应：两个分解反应过程均为强吸热反应，H2SO4解离在超过一定的温度下自发进行，而SO3分解在超过1073K的高温且催化剂存在的条件下进行；在H2SO4分解模块反应器中，硫酸在蒸发器内完全汽化，汽化后气体进入H2SO4分解反应器进行反应，H2SO4分解成为SO3和H2O；通过第一个反应器后的反应混合气体通入SO3膜反应器反应区进行反应，在膜反应器渗透区使用N2作为吹扫气将渗透气体SO2和O2排出；H2SO4分解反应器采用单管反应器结构，SO3膜反应器采用多管束结构；采用高温氦气作为载热工质逆流方式加热，氦气在反应器与外管间环形区域流动，加热SO3膜反应器后进入H2SO4分解反应器。3.如权利要求1所述的H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法，其特征在于，所述H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法包括以下步骤：步骤一，分别对H2SO4分解反应器和SO3膜分解反应器进行建模和分析；步骤二，针对反应器结构将H2SO4分解反应器和SO3膜分解反应器串联，以高温氦气作为热源对反应器模块进行加热；步骤三，对模块化反应器求解方法进行分析，以总熵产率最小为优化目标，分别对H2SO4分解反应器和SO3分解膜反应器的最优构型进行求解分析。4.如权利要求3所述的H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法，其特征在于，所述步骤一中的分别对H2SO4分解反应器和SO3膜分解反应器进行建模包括：(1)构建H2SO4分解反应器模型H2SO4分解反应器系统的守恒方程由质量守恒、动量守恒和能量守恒组成；反应器内质量守恒方程为：反应器内质量守恒方程为：反应器内质量守恒方程为：
式中，F
k
为H2SO4分解反应器内各组分气体流率，ρ
b
为催化剂床层密度，A
c
为反应管截面积，A
c
＝πd
i2
/4，d
i
为反应管的内径；r1和r2分别为H2SO4分解和SO3分解反应速率；动量守恒方程由反应气体流动过程压降描述，反应混合气体在反应器内流动压力降满足Ergun方程：式中，η为反应混合气体的动力粘度，取常数值为4
×
10
‑5kg
·
m
‑1·
s
‑1；ε为床层孔隙率，d
p
为催化剂颗粒直径，G为反应混合气体的表面质量流率；反应器能量守恒方程表示为：式中，q为高温氦气与反应管换热的热流密度，当换热过程服从牛顿传热定律时有q＝U(T
He
‑
T)；下标i代表反应器内发生的化学反应数量，i＝1，2，分别代表H2SO4分解和SO3分解两种反应过程；采用高温氦气逆流加热方式，氦气的能量守恒方程表示为：化学反应速率方程表示为：化学反应速率方程表示为：式中，k
i
和K
i
分别为反应i的速率常数和平衡常数，p
k
为组分气体k的分压力；k1和k2分别表示为：k1＝102/ρ
b
；k2＝470exp(
‑
99000/RT)；(2)构建SO3分解反应器模型针对SO3膜反应器部分进行建模，当膜反应管数量为N
r
，每根膜管在相同轴向长度上各参数变量一致；SO3分解反应器系统的守恒方程由质量守恒、动量守恒和能量守恒三部分组成；膜反应器内质量守恒方程为：
式中，F
k
为SO3膜反应器反应区气体流率，F
′
k
为渗透区气体流率；A
c
为反应区环形截面积，R
o
和R
i
分别为膜反应器内外管的半径；为O2的渗透通量，表示为：式中，Pe
k
为组分k的渗透率，p
k
和p
′
k
分别为组分k在反应区和渗透区的气体分压力；反应气体在膜管内流动压力降使用Ergun方程描述：反应区的能量守恒方程表示为：式中，J
o
和J
i
分别为高温热流体向反应区及反应区向渗透区换热的热流，Δ
r
H1和Δ
r
H2分别为H2SO4分解和SO3分解反应的反应焓；渗透区的能量守恒方程表示为：式中，为O2渗透传质引起的焓值差；使用高温氦气对膜反应器进行加热的能量守恒方程表示为：5.如权利要求3所述的H2SO4分解子系统模块化单元反应器模型构建方法，其特征在于，所述步骤三...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔锐，夏少军，陈林根，李鹏蕾，谢志辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：