化學反應工程原理熱量傳遞與反應器的熱穩(wěn)定性市公開課獲獎課件

1、第九章 熱量傳遞與反應器熱穩(wěn)定性1第1頁第1頁特點不能忽略，有時比傳質(zhì)影響嚴重反應過程熱量傳遞按其尺度分為兩類：顆粒尺度熱量傳遞 催化劑與流體設備尺度熱量傳遞 反應器與冷卻介質(zhì)熱量傳遞過程對化學反應過程影響2第2頁第2頁換熱過程傳熱單純傳熱，無化學反應反應器傳熱反應過程和傳熱過程互相交聯(lián)作用化學反應器傳熱出現(xiàn)兩個新問題熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性反應器中傳熱與換熱過程中傳熱區(qū)別3第3頁第3頁9.1 熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性概念定態(tài)定常狀態(tài)反應器處于熱平衡狀態(tài)，反應器各處溫度不隨時間改變。擾動各種偶然原因引起反應參數(shù)波動自然變動，非人為調(diào)整4第4頁第4頁擾動產(chǎn)生后會出現(xiàn)兩種情況：反應器恢復到本來熱平衡狀態(tài)反

2、應器不能恢復到本來熱平衡狀態(tài)平衡有兩種：穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡反應器熱穩(wěn)定反應器熱不穩(wěn)定5第5頁第5頁假如反應器是穩(wěn)定，擾動消失后它能自動返回本來平衡狀態(tài)，也無需對溫度進行專門調(diào)整。假如反應器是不穩(wěn)定，則必需增設附加調(diào)整裝置使它回到本來平衡狀態(tài)，不然它將自動地愈離愈遠而無法正常操作。反應器穩(wěn)定對反應器操作有極為主要熱穩(wěn)定性：熱平衡狀態(tài)抗擾動能力6第6頁第6頁放熱反應存在反應器熱穩(wěn)定性問題反應T(-rA)放熱速率反應T(-rA)吸熱速率反應T放熱反應吸熱反應7第7頁第7頁參數(shù)靈敏性參數(shù)作微小調(diào)整時，反應器內(nèi)溫度或反應結(jié)果將會有多大變。靈敏性，參數(shù)調(diào)整精度要求，反應器操作困難。參數(shù)靈敏性和熱穩(wěn)定性是

3、兩個不同概念。8第8頁第8頁如何區(qū)別反應過程中反應與傳熱交聯(lián)作用所產(chǎn)生熱穩(wěn)定性問題和參數(shù)靈敏性問題？假如反應器是穩(wěn)定，擾動消失后它能自動返回原來平衡狀態(tài)，也無需對溫度進行專門調(diào)整。假如反應器是不穩(wěn)定，則必需增設附加調(diào)整裝置使它回到原來平衡狀態(tài)，不然它將自動地愈離愈遠而無法正常操作。熱穩(wěn)定性是熱平衡狀態(tài)抗擾動能力。 靈敏性是參數(shù)作微小調(diào)整時，反應器內(nèi)溫度或反應結(jié)果將會有多大變。靈敏性增加，參數(shù)調(diào)整精度要求增加，反應器操作困難增加。 參數(shù)靈敏性和熱穩(wěn)定性是兩個不同概念。 9第9頁第9頁9.2 催化劑顆粒熱穩(wěn)定性10第10頁第10頁9.2.1 催化劑顆粒定態(tài)溫度反應放熱速率T低時，過程為反應控制 T

4、高時，過程為擴散控制放熱速率是一條S形曲線11第11頁第11頁反應熱移走方式：顆粒與流體傳熱對流，唯一路徑顆粒間接觸傳熱傳導，忽略不計催化劑顆粒與周圍流體間傳熱速率為： 移熱速率線是一條直線QTTb12第12頁第12頁定態(tài)時： 反應放熱速率向周圍流體傳熱速率有三個交點催化劑顆粒定態(tài)溫度 TA、TB、TC含有不同穩(wěn)定性13第13頁第13頁9.2.2 催化劑顆粒定態(tài)溫度穩(wěn)定條件定態(tài)點C：擾動使Ts，QrQg，Ts，回復到C點；擾動使Ts，QrQg，Ts，回復到A點；擾動使Ts，QrQg，Ts，回復到A點；定態(tài)點B：擾動使Ts，QrQg，Ts，到A點；14第14頁第14頁可見：A、C定態(tài)操作點對外界

5、擾動作用含有自衡能力，為穩(wěn)定定態(tài)；B操作點即使是定態(tài)點，但是它對外界擾動作用沒有自衡能力，為不穩(wěn)定定態(tài)。15第15頁第15頁定態(tài)C點： Qr線斜率Qg線斜率，即： 定態(tài)A點： Qr線斜率Qg線斜率，即：定態(tài)B點： Qr線斜率Qg線斜率，即：定態(tài)穩(wěn)定條件分析16第16頁第16頁催化劑顆粒定態(tài)穩(wěn)定條件移熱線斜率不小于放熱線斜率17第17頁第17頁A下操作點顆粒自冷態(tài)開始反應(Ts-Tb)小 C上操作點顆粒起始溫度高于TC(Ts-Tb)大B點不穩(wěn)定三個定態(tài)溫度性質(zhì)TATCTb18第18頁第18頁工藝條件要求在B點操作辦法：Qr斜率，即haVp；同時，Tb增長程度：滿足定態(tài)穩(wěn)定條件催化劑顆粒大小一定，

6、a不變，有效hh辦法：氣流線速度19第19頁第19頁在一個工業(yè)反應開發(fā)過程中：工藝角度：著眼于反應器空速，以確保取得一定反應結(jié)果。工程觀點：著眼于流體在反應器中線速度大小，確保所需定態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)。20第20頁第20頁9.2.3 臨界著火條件與臨界熄火條件“著火”現(xiàn)象： C和u一定，Tb， 當Tb超出Tig時， 下操作點上操作點 Tig催化劑顆粒 臨界著火溫度123421第21頁第21頁催化劑處于上操作點時，使Tb逐步，當Tb稍低于Tex時， 上操作點下降到下操作點。 Tex為催化劑顆粒臨界熄火溫度1234“熄火”現(xiàn)象和熄火溫度：22第22頁第22頁臨界著火和熄火條件：著火和熄火時：Qg與Qr

7、線相切斜率相同臨界著火條件臨界熄火條件：23第23頁第23頁催化劑顆粒臨界著火溫度著火點在下操作點附近，反應控制，有：對Ts求導：24第24頁第24頁結(jié)合臨界著火條件得：當反應體系一定期：25第25頁第25頁臨界熄火溫度臨界熄火點靠近于上操作點，擴散控制 可推出熄火溫度：催化劑顆粒最大溫升26第26頁第26頁上操作點特點 很大催化劑顆粒溫度TS很高，無法測定流體溫度Tb很低，能夠測定傳質(zhì)控制9.2.4 在上操作點時催化劑顆粒溫度27第27頁第27頁在上操作點時過程處于傳質(zhì)控制表觀反應速率極限傳質(zhì)速率 定態(tài)時熱量平衡：傳質(zhì)控制時溫差最大(催化劑顆粒最大溫升）： 28第28頁第28頁催化劑顆粒溫度

8、由JD和JH與Re關系得：催化劑顆粒絕熱溫升為：傳熱與傳質(zhì)是同一流動條件下結(jié)果29第29頁第29頁由上式可見：在上操作點時，催化劑顆粒溫度與流體溫度之間差值大小僅與物系性質(zhì)相關；對于氣固反應系統(tǒng)：30第30頁第30頁9.3 連續(xù)攪拌釜式反應器熱穩(wěn)定性9.3.1 全混釜熱平衡條件31第31頁第31頁A.一級不可逆放熱反應對組分A作物料衡算：32第32頁第32頁反應過程放熱速率：放熱速率隨反應溫度改變呈S形曲線QT33第33頁第33頁反應過程移熱速率設T0=TC移熱速率與反應溫度呈線性關系斜率為： ；與T軸交點為：TC器壁傳熱反應物流體熱焓改變帶走熱量34第34頁第34頁9.3.2 全混釜反應器熱

9、穩(wěn)定性CSTR有多態(tài)現(xiàn)象：A定態(tài)穩(wěn)定 特點：低xC定態(tài)穩(wěn)定 特點：高xB定態(tài)不穩(wěn)定35第35頁第35頁CSTR熱穩(wěn)定條件36第36頁第36頁B.可逆放熱反應受化學平衡限制，放熱速率線有一極大值；與移熱速率線有三個交點；A、C是熱穩(wěn)定操作點， B是熱不穩(wěn)定操作點。ABC37第37頁第37頁C.吸熱反應定態(tài)為唯一，不存在多態(tài) 。38第38頁第38頁9.3.3 操作參數(shù)對熱穩(wěn)定性影響改變CSTR反應器操作參數(shù)，會對熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：進料溫度T0冷卻介質(zhì)溫度Tc進料流量v傳熱系數(shù)U傳熱面積A39第39頁第39頁進料溫度：T01T02 b1b2，熱穩(wěn)定T01T03 b1c3，熱不穩(wěn)定冷卻介質(zhì)溫度：同上進

10、料溫度、冷卻介質(zhì)溫度，產(chǎn)生熄火；T3是極限40第40頁第40頁進料流量：進料體積流量， Qr線斜率 當Qr線斜率時， 反應過程會出現(xiàn)熱不穩(wěn)定操作點。進料體積流量，穩(wěn)定性U、A改變情況相同41第41頁第41頁9.3.4 最大允許溫差當Tc，熱穩(wěn)定當Tc，TcTc3，c3a3，熱不穩(wěn)定Tc下降受到熱穩(wěn)定性限制是熱穩(wěn)定性對CSTR設計與操作一個限制42第42頁第42頁Tc下降最大極限：43第43頁第43頁 CSTR最大允許溫差：同樣能夠求得反應器所需含有最小傳熱面積44第44頁第44頁由上式可見：決定 反應參數(shù)是活化能；E，反應速率對溫度改變愈敏感， ；最大允許溫差、最小傳熱面積是熱穩(wěn)定性對CSTR

11、設計和操作中一個限制。 45第45頁第45頁反應要求中檔轉(zhuǎn)化率（串聯(lián)反應） 在B點操作，條件： 斜率UA，A截距TC，（T-TC）極限：要求：溫差小，冷卻介質(zhì)溫度高；傳熱面積大46第46頁第46頁9.3.5 全混釜參數(shù)靈敏性CSTR處于D點：當TC，反應溫度TDTD，反應結(jié)果影響不大；當TC， 會出現(xiàn)“熄火”現(xiàn)象，將造成反應溫度和反應結(jié)果猛烈改變。主要調(diào)整參數(shù)是Tc ，考察反應T對Tc靈敏性47第47頁第47頁在反應器設計時，應避免太近于D或E操作點，以留有余地作為調(diào)整之用。TC微小，會出現(xiàn)“飛溫”現(xiàn)象，造成反應溫度和反應結(jié)果猛烈改變當TC，無猛烈改變在E點操作時48第48頁第48頁9.3.6 全混釜可控性全混釜反應器內(nèi)由于物料猛烈混合，升溫或降溫同時發(fā)生。因此原則上不致發(fā)生局部溫度過高或過低現(xiàn)象。CSTR多用于液相反應，反應物系熱容較大，溫度升降比較緩慢，易于調(diào)整和控制。也能在B點操作。49第49頁第49頁思考題1. 如何區(qū)別反應過程中反應與傳熱交聯(lián)作用所產(chǎn)生熱穩(wěn)