化學(xué)反應(yīng)工程原理熱量傳遞與反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性市公開(kāi)課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、第九章 熱量傳遞與反應(yīng)器熱穩(wěn)定性1第1頁(yè)第1頁(yè)特點(diǎn)不能忽略，有時(shí)比傳質(zhì)影響嚴(yán)重反應(yīng)過(guò)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(shè)備尺度熱量傳遞 反應(yīng)器與冷卻介質(zhì)熱量傳遞過(guò)程對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程影響2第2頁(yè)第2頁(yè)換熱過(guò)程傳熱單純傳熱，無(wú)化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)器傳熱反應(yīng)過(guò)程和傳熱過(guò)程互相交聯(lián)作用化學(xué)反應(yīng)器傳熱出現(xiàn)兩個(gè)新問(wèn)題熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性反應(yīng)器中傳熱與換熱過(guò)程中傳熱區(qū)別3第3頁(yè)第3頁(yè)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(yīng)器處于熱平衡狀態(tài)，反應(yīng)器各處溫度不隨時(shí)間改變。擾動(dòng)各種偶然原因引起反應(yīng)參數(shù)波動(dòng)自然變動(dòng)，非人為調(diào)整4第4頁(yè)第4頁(yè)擾動(dòng)產(chǎn)生后會(huì)出現(xiàn)兩種情況：反應(yīng)器恢復(fù)到本來(lái)熱平衡狀態(tài)反

2、應(yīng)器不能恢復(fù)到本來(lái)熱平衡狀態(tài)平衡有兩種：穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡反應(yīng)器熱穩(wěn)定反應(yīng)器熱不穩(wěn)定5第5頁(yè)第5頁(yè)假如反應(yīng)器是穩(wěn)定，擾動(dòng)消失后它能自動(dòng)返回本來(lái)平衡狀態(tài)，也無(wú)需對(duì)溫度進(jìn)行專門調(diào)整。假如反應(yīng)器是不穩(wěn)定，則必需增設(shè)附加調(diào)整裝置使它回到本來(lái)平衡狀態(tài)，不然它將自動(dòng)地愈離愈遠(yuǎn)而無(wú)法正常操作。反應(yīng)器穩(wěn)定對(duì)反應(yīng)器操作有極為主要熱穩(wěn)定性：熱平衡狀態(tài)抗擾動(dòng)能力6第6頁(yè)第6頁(yè)放熱反應(yīng)存在反應(yīng)器熱穩(wěn)定性問(wèn)題反應(yīng)T(-rA)放熱速率反應(yīng)T(-rA)吸熱速率反應(yīng)T放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)7第7頁(yè)第7頁(yè)參數(shù)靈敏性參數(shù)作微小調(diào)整時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)溫度或反應(yīng)結(jié)果將會(huì)有多大變。靈敏性，參數(shù)調(diào)整精度要求，反應(yīng)器操作困難。參數(shù)靈敏性和熱穩(wěn)定性是

3、兩個(gè)不同概念。8第8頁(yè)第8頁(yè)如何區(qū)別反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)與傳熱交聯(lián)作用所產(chǎn)生熱穩(wěn)定性問(wèn)題和參數(shù)靈敏性問(wèn)題？假如反應(yīng)器是穩(wěn)定，擾動(dòng)消失后它能自動(dòng)返回原來(lái)平衡狀態(tài)，也無(wú)需對(duì)溫度進(jìn)行專門調(diào)整。假如反應(yīng)器是不穩(wěn)定，則必需增設(shè)附加調(diào)整裝置使它回到原來(lái)平衡狀態(tài)，不然它將自動(dòng)地愈離愈遠(yuǎn)而無(wú)法正常操作。熱穩(wěn)定性是熱平衡狀態(tài)抗擾動(dòng)能力。 靈敏性是參數(shù)作微小調(diào)整時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)溫度或反應(yīng)結(jié)果將會(huì)有多大變。靈敏性增加，參數(shù)調(diào)整精度要求增加，反應(yīng)器操作困難增加。 參數(shù)靈敏性和熱穩(wěn)定性是兩個(gè)不同概念。 9第9頁(yè)第9頁(yè)9.2 催化劑顆粒熱穩(wěn)定性10第10頁(yè)第10頁(yè)9.2.1 催化劑顆粒定態(tài)溫度反應(yīng)放熱速率T低時(shí)，過(guò)程為反應(yīng)控制 T

4、高時(shí)，過(guò)程為擴(kuò)散控制放熱速率是一條S形曲線11第11頁(yè)第11頁(yè)反應(yīng)熱移走方式：顆粒與流體傳熱對(duì)流，唯一路徑顆粒間接觸傳熱傳導(dǎo)，忽略不計(jì)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(yè)第12頁(yè)定態(tài)時(shí)： 反應(yīng)放熱速率向周圍流體傳熱速率有三個(gè)交點(diǎn)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(yè)第13頁(yè)9.2.2 催化劑顆粒定態(tài)溫度穩(wěn)定條件定態(tài)點(diǎn)C：擾動(dòng)使Ts，QrQg，Ts，回復(fù)到C點(diǎn)；擾動(dòng)使Ts，QrQg，Ts，回復(fù)到A點(diǎn)；擾動(dòng)使Ts，QrQg，Ts，回復(fù)到A點(diǎn)；定態(tài)點(diǎn)B：擾動(dòng)使Ts，QrQg，Ts，到A點(diǎn)；14第14頁(yè)第14頁(yè)可見(jiàn)：A、C定態(tài)操作點(diǎn)對(duì)外界

5、擾動(dòng)作用含有自衡能力，為穩(wěn)定定態(tài)；B操作點(diǎn)即使是定態(tài)點(diǎn)，但是它對(duì)外界擾動(dòng)作用沒(méi)有自衡能力，為不穩(wěn)定定態(tài)。15第15頁(yè)第15頁(yè)定態(tài)C點(diǎn)： Qr線斜率Qg線斜率，即： 定態(tài)A點(diǎn)： Qr線斜率Qg線斜率，即：定態(tài)B點(diǎn)： Qr線斜率Qg線斜率，即：定態(tài)穩(wěn)定條件分析16第16頁(yè)第16頁(yè)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(yè)第17頁(yè)A下操作點(diǎn)顆粒自冷態(tài)開(kāi)始反應(yīng)(Ts-Tb)小 C上操作點(diǎn)顆粒起始溫度高于TC(Ts-Tb)大B點(diǎn)不穩(wěn)定三個(gè)定態(tài)溫度性質(zhì)TATCTb18第18頁(yè)第18頁(yè)工藝條件要求在B點(diǎn)操作辦法：Qr斜率，即haVp；同時(shí)，Tb增長(zhǎng)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(yè)第19頁(yè)在一個(gè)工業(yè)反應(yīng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中：工藝角度：著眼于反應(yīng)器空速，以確保取得一定反應(yīng)結(jié)果。工程觀點(diǎn)：著眼于流體在反應(yīng)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(yè)第20頁(yè)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(dāng)Tb超出Tig時(shí)， 下操作點(diǎn)上操作點(diǎn) Tig催化劑顆粒 臨界著火溫度123421第21頁(yè)第21頁(yè)催化劑處于上操作點(diǎn)時(shí)，使Tb逐步，當(dāng)Tb稍低于Tex時(shí)， 上操作點(diǎn)下降到下操作點(diǎn)。 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(yè)第22頁(yè)臨界著火和熄火條件：著火和熄火時(shí)：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(yè)第23頁(yè)催化劑顆粒臨界著火溫度著火點(diǎn)在下操作點(diǎn)附近，反應(yīng)控制，有：對(duì)Ts求導(dǎo)：24第24頁(yè)第24頁(yè)結(jié)合臨界著火條件得：當(dāng)反應(yīng)體系一定期：25第25頁(yè)第25頁(yè)臨界熄火溫度臨界熄火點(diǎn)靠近于上操作點(diǎn)，擴(kuò)散控制 可推出熄火溫度：催化劑顆粒最大溫升26第26頁(yè)第26頁(yè)上操作點(diǎn)特點(diǎn) 很大催化劑顆粒溫度TS很高，無(wú)法測(cè)定流體溫度Tb很低，能夠測(cè)定傳質(zhì)控制9.2.4 在上操作點(diǎn)時(shí)催化劑顆粒溫度27第27頁(yè)第27頁(yè)在上操作點(diǎn)時(shí)過(guò)程處于傳質(zhì)控制表觀反應(yīng)速率極限傳質(zhì)速率 定態(tài)時(shí)熱量平衡：傳質(zhì)控制時(shí)溫差最大(催化劑顆粒最大溫升）： 28第28頁(yè)第28頁(yè)催化劑顆粒溫度

8、由JD和JH與Re關(guān)系得：催化劑顆粒絕熱溫升為：傳熱與傳質(zhì)是同一流動(dòng)條件下結(jié)果29第29頁(yè)第29頁(yè)由上式可見(jiàn)：在上操作點(diǎn)時(shí)，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(guān)；對(duì)于氣固反應(yīng)系統(tǒng)：30第30頁(yè)第30頁(yè)9.3 連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器熱穩(wěn)定性9.3.1 全混釜熱平衡條件31第31頁(yè)第31頁(yè)A.一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)對(duì)組分A作物料衡算：32第32頁(yè)第32頁(yè)反應(yīng)過(guò)程放熱速率：放熱速率隨反應(yīng)溫度改變呈S形曲線QT33第33頁(yè)第33頁(yè)反應(yīng)過(guò)程移熱速率設(shè)T0=TC移熱速率與反應(yīng)溫度呈線性關(guān)系斜率為： ；與T軸交點(diǎn)為：TC器壁傳熱反應(yīng)物流體熱焓改變帶走熱量34第34頁(yè)第34頁(yè)9.3.2 全混釜反應(yīng)器熱

9、穩(wěn)定性CSTR有多態(tài)現(xiàn)象：A定態(tài)穩(wěn)定 特點(diǎn)：低xC定態(tài)穩(wěn)定 特點(diǎn)：高xB定態(tài)不穩(wěn)定35第35頁(yè)第35頁(yè)CSTR熱穩(wěn)定條件36第36頁(yè)第36頁(yè)B.可逆放熱反應(yīng)受化學(xué)平衡限制，放熱速率線有一極大值；與移熱速率線有三個(gè)交點(diǎn)；A、C是熱穩(wěn)定操作點(diǎn)， B是熱不穩(wěn)定操作點(diǎn)。ABC37第37頁(yè)第37頁(yè)C.吸熱反應(yīng)定態(tài)為唯一，不存在多態(tài) 。38第38頁(yè)第38頁(yè)9.3.3 操作參數(shù)對(duì)熱穩(wěn)定性影響改變CSTR反應(yīng)器操作參數(shù)，會(huì)對(duì)熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：進(jìn)料溫度T0冷卻介質(zhì)溫度Tc進(jìn)料流量v傳熱系數(shù)U傳熱面積A39第39頁(yè)第39頁(yè)進(jìn)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(jìn)

10、料溫度、冷卻介質(zhì)溫度，產(chǎn)生熄火；T3是極限40第40頁(yè)第40頁(yè)進(jìn)料流量：進(jìn)料體積流量， Qr線斜率 當(dāng)Qr線斜率時(shí)， 反應(yīng)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)熱不穩(wěn)定操作點(diǎn)。進(jìn)料體積流量，穩(wěn)定性U、A改變情況相同41第41頁(yè)第41頁(yè)9.3.4 最大允許溫差當(dāng)Tc，熱穩(wěn)定當(dāng)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(duì)CSTR設(shè)計(jì)與操作一個(gè)限制42第42頁(yè)第42頁(yè)Tc下降最大極限：43第43頁(yè)第43頁(yè) CSTR最大允許溫差：同樣能夠求得反應(yīng)器所需含有最小傳熱面積44第44頁(yè)第44頁(yè)由上式可見(jiàn)：決定 反應(yīng)參數(shù)是活化能；E，反應(yīng)速率對(duì)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(duì)CSTR

11、設(shè)計(jì)和操作中一個(gè)限制。 45第45頁(yè)第45頁(yè)反應(yīng)要求中檔轉(zhuǎn)化率（串聯(lián)反應(yīng)） 在B點(diǎn)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(yè)第46頁(yè)9.3.5 全混釜參數(shù)靈敏性CSTR處于D點(diǎn)：當(dāng)TC，反應(yīng)溫度TDTD，反應(yīng)結(jié)果影響不大；當(dāng)TC， 會(huì)出現(xiàn)“熄火”現(xiàn)象，將造成反應(yīng)溫度和反應(yīng)結(jié)果猛烈改變。主要調(diào)整參數(shù)是Tc ，考察反應(yīng)T對(duì)Tc靈敏性47第47頁(yè)第47頁(yè)在反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免太近于D或E操作點(diǎn)，以留有余地作為調(diào)整之用。TC微小，會(huì)出現(xiàn)“飛溫”現(xiàn)象，造成反應(yīng)溫度和反應(yīng)結(jié)果猛烈改變當(dāng)TC，無(wú)猛烈改變?cè)贓點(diǎn)操作時(shí)48第48頁(yè)第48頁(yè)9.3.6 全混釜可控性全混釜反應(yīng)器內(nèi)由于物料猛烈混合，升溫或降溫同時(shí)發(fā)生。因此原則上不致發(fā)生局部溫度過(guò)高或過(guò)低現(xiàn)象。CSTR多用于液相反應(yīng)，反應(yīng)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(diǎn)操作。49第49頁(yè)第49頁(yè)思考題1. 如何區(qū)別反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)與傳熱交聯(lián)作用所產(chǎn)生熱穩(wěn)