反应器热稳定性.ppt
第九章 反应器热稳定性,9 反应器的热稳定性和参数灵敏性,9.1 全混流反应器的热稳定性9.2 管式反应器的热稳定性9.3 反应器参数的灵敏性,连续流动反应器的设计,按定常态条件，即规定了进料流量、组成和温度；反应器内物料浓度、温度、冷却或加热介质的温度、流量不随时间发生变化。,实际生产过程中,上述诸参数不可能恒定不变，当出现某种干扰时，生产能否在最佳或接近最佳条件下进行，是值得重视的问题。,9.1 全混流反应器的热稳定性,9.1.1 全混流反应器的热量衡算,全混流反应器为一敞开体系，对于定态操作，以进料温度T0为基准温度，由式（3.1-2)得热量衡算式为：,（9.1-1）,已知：,所以，热量衡算式为：,（9.1-2）,T0、T、TC分别为反应器进口、出口及冷却介质温度，K;物料平均密度，kg/m3;K总传热系数，J/m2.K;,9.1.2 全混流反应器的定态,物料衡算式为：,对于一级不可逆放热反应，式（9.1-2）可以分为移热速率和放热速率两部分：,放热速率：,移热速率：,又根据设计方程式：,（9.1-3）,（9.1-4）,（9.1-5）,（9.1-6）,（9.1-7）,式（9.1-3）可知：移热速率是关于温度T的一条直线。,式（9.1-7）所表示的放热速率关于温度T是一条“S”型的曲线。,在M、P、N点处，由于qr=qg，所以称为定态操作点。在这三点处，温度TN TP TM，转化率xN xP xM。在这三点中，M、N 是稳定态的操作点，P点是不稳定的操作点。,图9-1 全混流反应器的定态操作温度,？稳定性：指反应器操作过程中受到外界干扰后的自衡能力。,1、点M、P、N自衡能力分析,qr qg，T降低，回到点M。,qr qg，T升高，回到点M。,是,否,qr qg，T降低，移动到点M。,qr qg，T升高，移动到点N。,是,qr qg，T升高，回到点N。,qr qg，T降低，回到点N。,所以，热稳定性的条件是：,M、P、N点共同特性,2、定态操作点的改变,定态的操作点会随着条件的改变而发生变化。,T随T0的变化曲线是GAFBDE,如图9-2所示：在TC恒定时，将qr、qg按式（9.1-2）合并成：,注意：,当进料温度在TA TD范围内时，产生放热反应多定态现象（吸热反应只有一个定态）。在F点附近操作时，很容易产生超温现象，造成烧毁催化剂，或燃烧爆炸等事故现象。在B点附近操作时，很容易产生迅速降温现象，造成反应终止。,其它参数的改变，也可能造成定态操作点的改变，如：换热介质温度、进料流量的改变。,9.2 管式反应器的热稳定性,该扰动对上游影响很小，对下游的影响最终到达出口而“排出”。整个反应器又恢复到上游工况所决定的状态。,这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性,是局部稳定性问题。,！对于具有良好壁面传热的管式反应器，传热方式主要是径向，轴向传热可以忽略。,9.2.1 径向传热管式反应器的热量衡算,根据二维拟均相模型：,若不考虑轴向的热量传递时，上式可简化为：,径向的传热,轴向的传热,（9.2-1）,（9.2-2）,若动力学方程为：,并将式中变量改用无因次量表示：,（9.2-3）,（9.2-4）,则式（9.2-2）可化简为：,（9.2-5）,若作近似处理：,可得：,（9.2-6）,微分方程（9.2-6）在2.0时得不到有限解，这表明在2.0时，反应器的操作是不稳定的。,！，管式反应器热稳定性的条件是：2.0,（9.2-7）,9.2.2 管式反应器的允许最大温度差和允许管径,管式反应器的热稳定条件是：2.0,当=2.0时，方程的解为：max=1.37,（9.2-8）,（9.2-9）,管式反应器允许最大管直径可由：=2.0求得。,公式（9.2-9）和（9.2-11）是管式反应器热稳定性条件限制的最大径向温差和最大床层直径。,（9.2-10）,（9.2-11）,这也解释了反应器设计控制的条件。,对于一些（Hr）和大的放热反应，放热强度Q大，及时取出反应热极为重要。然而这类反应器往往用温度较高的热载体作为冷却介质。实际上，这是由（T-Tw)max所确定的。,由式（9.2-11）可知，催化剂活性大，放热强度Q大，要求床层直径减小，通常床层直径不小于20mm，因此，过大催化剂活性不仅没有好处，反而有害。,9.2.3 管式反应器的热点,反应器轴向分布规律？,根据一维拟均相理想流动模型，反应器的热平衡方程为：,管式反应器轴向热点温度分布情况分析！,图9-3 管式反应器轴向温度分布,cA1 cA2 cA3 cA4 cA5 cA6,9.3 反应器参数的敏感性,9.3.1 反应器的安全性,！每个反应器的设计师和每个化工厂的操作人员都极为关心反应器的安全性。,催化反应器发生事故可能由各种原因，常见的有以下几种：,机械式上造成的缺陷；催化剂再生时温度过高超过额定值；再生式催化剂破碎；有危险的反应发生；过程控制问题。,9.3.2 反应器参数的灵敏性,？反应器参数的灵敏性！,反应系统,某参数微小变化,其它参数重大变化,例如：非等温非绝热固定床反应器，当冷却剂温度稍微提高，即造成床层热点温度有很大的提高。,9.3.2.1 绝热式反应器的参数灵敏性,由于绝热式固定床的“返混”很小，且与壁面之间无热量传递，因此可忽略径向的温度差。,根据一维拟均相理想流动模型。,物料衡算为：,9.3-1,热量衡算为：,两式相除得：,下面讨论进口温度、浓度的改变对过程的影响。,1）进口温度对参数的影响,系统,T0,T,+dT0,+dT,若反应动力学方程为：,9.3-2,9.3-3,9.3-4,将式（9.3-4）带入热平衡方程，且将反应物浓度近似看成常数，可得积分解：,对T0求导得：,由于,很小,END THE CHAPTER,反应工程,Thank you.,
