化學反應(yīng)工程（第二版） 第9章 反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性.ppt

1、1,第九章,反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性,2,連續(xù)流動反應(yīng)器一般按定常態(tài)設(shè)計，但反應(yīng)器的操作并不總是穩(wěn)定的。流量、濃度、溫度等隨時都在發(fā)生著變化。 本章討論一旦某些操作參數(shù)發(fā)生變化，反應(yīng)器是否還能在接近設(shè)計條件下操作；這些參數(shù)的變化，是否影響了反應(yīng)器的安全運行。,3,全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性,由于全混流反應(yīng)器參數(shù)均一，計算簡單，以此為例討論反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性。,4,可以用來推算達到一定轉(zhuǎn)化率所需要補充或移走的熱量。,5,一級不可逆放熱反應(yīng)：,6,7,8,9,只有兩條曲線的交點才滿足方程。（即左側(cè)右側(cè)相等） 兩條曲線交于N、P、M三點。 分別討論： M點：產(chǎn)熱速率和移熱速率都低 P點：產(chǎn)熱速率和移熱

2、速率中等 N點：產(chǎn)熱速率和移熱速率都高 穩(wěn)定性問題： 體系受到擾動后自行恢復的能力。,10,如果一個操作點在受到擾動后能自行恢復，稱為穩(wěn)定操作點。否則稱為不穩(wěn)定操作點。 N點：當某一隨機因素使溫度升高到TE，此時，移熱速率大于產(chǎn)熱速率，溫度將下降；若溫度降低至TD，此時，產(chǎn)熱速率大于移熱速率，溫度將上升，最后穩(wěn)定在TN。因此，N點是穩(wěn)定操作點。 同理，M點也是穩(wěn)定操作點。 而P點正相反，溫度升高時，產(chǎn)熱速率大于移熱速率，溫度下降時，移熱速率大于產(chǎn)熱速率，受到擾動時，溫度或者上升到N點，或者下降到M點，因此，P點不是穩(wěn)定操作點。,11,從數(shù)學上看，NM和P點的區(qū)別為：,12,進料溫度與反應(yīng)器操作

3、溫度的關(guān)系 進料溫度在TA與TD之間，存在兩個穩(wěn)定操作點。,13,管式反應(yīng)器的穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性,熱穩(wěn)定性： 返混很小的管式反應(yīng)器，任何一個局部發(fā)生擾動，必然引起局部的溫度變化，而溫度變化只會影響反應(yīng)器的下游，不會影響到反應(yīng)器的上游。 有良好壁面?zhèn)鳠岬墓苁椒磻?yīng)器主要的傳熱方向是徑向，軸向傳熱可以忽略。穩(wěn)定性問題是由徑向溫度分布所引起。,14,通過擬均相二維模型討論： 僅考慮徑向熱量傳遞時可以簡化為： 邊界條件： 推導目的：通過上式求出管式反應(yīng)器熱穩(wěn)定性條件和最大管徑,15,16,將以上結(jié)果代入到簡化了的方程中去：,17,18,以上方程在2時無有限解，說明當2時反應(yīng)器的操作是不穩(wěn)定的。,19,徑

4、向最大允許溫度差： 基于=2，解得=1.37，意為在穩(wěn)定的前提下， max=1.37，即：,20,床層最大直徑： 為單位床層體積內(nèi)放出的熱量，稱放熱強度。則：,21,討論： 1 由床層最大允許溫差條件，壁溫不能太低，否則允許溫差太小。 2 由最大床層直徑條件，放熱強度增加，允許床層直徑變小，但床層直徑還受催化劑顆粒直徑和反應(yīng)器壓降限制，不能過小，因此，在必要的情況下，有時對催化劑活性進行限制。,22,反應(yīng)器的熱點和操作的安全性,反應(yīng)器的軸向溫度分布，對于放熱反應(yīng)，可能存在熱點。 由一維擬均相平推流模型： 如果反應(yīng)放熱與壁面?zhèn)鳠嵯嗟?，反?yīng)器軸向?qū)]有溫度變化。,23,即dT/dl=0 如果放熱量大于移熱量，則dT/dl0，溫度沿軸向升高，反之溫度下降。 如果放熱量急劇增大，而熱量又不能迅速移走時，將發(fā)生溫度的失控，稱飛溫。 飛溫通常發(fā)生在： 1入口濃度急劇增高； 2入口溫度急劇增高； 3冷劑流量變??； 4冷劑溫度增高等。,24,25,飛溫可能會造成嚴重事故催化劑燒結(jié)，燃燒，爆炸等。 產(chǎn)生爆炸的原因： 1反應(yīng)體積急劇膨脹造成壓力猛增，超過設(shè)備能夠承受的壓力； 2局部超溫，使設(shè)備強度下降，在正常操作壓力下爆炸； 3超溫造成設(shè)備應(yīng)力增大； 4設(shè)備腐蝕造