chap-9-反应器的热稳定性和参数灵敏性ppt课件

9 反应器的热稳定性与参数灵敏性反应器的热稳定性与参数灵敏性连连续续流流动动反反应应器器一一般般按按定定常常态态设设计计。规规定定：入入料料量量、入入料料组组成成、入入料料温温度度、压压力力等等。特特点点：反反应应器器内内各各量均是位置函数，与时间无关。量均是位置函数，与时间无关。反反应应器器的的实实际际操操作作并并不不总总是是稳稳定定的的。流流量量、浓浓度度、温温度度等等随随时时都都在在发发生生着着变变化化。与与一一般般加加热热、冷冷却却或或换换热热过过程程不不同同，反反应应器器内内的的反反应应过过程程与与传传热热过过程程相相互关联和相互影响。对放热过程存在：互关联和相互影响。对放热过程存在：反应温反应温度上升度上升反应速反应速度加快度加快反应移热反应移热速率增大速率增大19 反应器的热稳定性与参数灵敏性连续流动反应器一般按定常态任何外来的扰动都有可能引起反应器操作状态的变化任何外来的扰动都有可能引起反应器操作状态的变化反应器设计应在稳定的定态下运行（定态操作）反应器设计应在稳定的定态下运行（定态操作）稳定的定态：干扰去除后，系统恢复原状稳定的定态：干扰去除后，系统恢复原状不不稳稳定定的的定定态态：干干扰扰去去除除后后，系系统统恢恢复复不不了了原原状状，偏离或严重偏离原先的操作状态偏离或严重偏离原先的操作状态9.1 热稳定性和参数灵敏性的概念热稳定性和参数灵敏性的概念平衡和稳定平衡和稳定热平衡热平衡热平衡热平衡 放热和移热的速率相等，参数不随时间变化放热和移热的速率相等，参数不随时间变化放热和移热的速率相等，参数不随时间变化放热和移热的速率相等，参数不随时间变化稳定稳定稳定稳定 对外界扰动的抵抗能力，扰动消除，能恢复原状对外界扰动的抵抗能力，扰动消除，能恢复原状对外界扰动的抵抗能力，扰动消除，能恢复原状对外界扰动的抵抗能力，扰动消除，能恢复原状一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！2任何外来的扰动都有可能引起反应器操作状态的变化9.1 热稳定扰扰动动：对对于于定定态态操操作作的的反反应应器器，器器内内各各处处温温度度均均不不随随时时间间而而变变化化，但但实实际际上上相相关关参参数数均均不不能能保保持持严严格格的的恒恒定定，总总会会有有各各种种偶偶然然的的原原因因而而引引起起波波动动，这这种种波动称为扰动。波动称为扰动。扰扰动动非非人人为为调调节节，而而是是自自然然的的波波动动，如如流流量量、进口温度、冷却介质温度等参数的波动进口温度、冷却介质温度等参数的波动参参数数敏敏感感性性（灵灵敏敏性性）：反反应应器器内内相相关关参参数数（流流量量、进进口口温温度度、冷冷却却温温度度等等）作作微微小小调调整整时时，反反应应器器内内的温度（或反应结果）将会多大变化。的温度（或反应结果）将会多大变化。过过高高的的参参数数敏敏感感性性将将造造成成参参数数调调节节的的过过高高的的精精度要求，使反应器操作变得十分困难。度要求，使反应器操作变得十分困难。3扰动：对于定态操作的反应器，器内各处温度均不随时间而变化，9.2 全混流反应器的热稳定性全混流反应器的热稳定性由由于于全全混混流流反反应应器器参参数数均均一一，计计算算简简单单，以以此此为例讨论反应器的热稳定性为例讨论反应器的热稳定性49.2 全混流反应器的热稳定性由于全混流反应器参数均一，可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。5可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。5反应器的定态一级不可逆放热反应：6反应器的定态67788只只有有两两条条曲曲线线的的交交点点才才满满足足方方程程。（即即左左侧右侧相等）侧右侧相等）两两条条曲曲线线交交于于N N、P P、M M三点三点分别讨论：分别讨论：M M点点：产产热热速速率率和和移移热热速率都低速率都低 P P点：产热速率和移热点：产热速率和移热速率中等速率中等 N N点：产热速率和移热点：产热速率和移热速率都高速率都高9只有两条曲线的交点才满足方程。（即左侧右侧相等）分别讨论N点点：当当某某一一随随机机因因素素使使温温度度升升高高到到TE，此此时时，移移热热速速率率大大于于产产热热速速率率，温温度度将将下下降降；若若温温度度降降低低至至TD，此此时时，产产热热速速率率大大于于移移热热速速率率，温温度度将将上上升升，最最后后稳稳定定在在TN。因因此此，N点点是稳定操作点是稳定操作点M点：同理，点：同理，M点也是稳定操作点点也是稳定操作点P点点：正正相相反反，温温度度升升高高时时，产产热热速速率率大大于于移移热热速速率率，温温度度下下降降时时，移移热热速速率率大大于于产产热热速速率率，受受到到扰扰动动时时，温温度度或或者者上上升升到到N点点，或或者者下下降降到到M点点，因因此此，P点点不不是是稳稳定操作点定操作点稳定性讨论：稳定性讨论：10N点：当某一随机因素使温度升高到TE，此时，移热速率大于产热 进进料料温温度度在在TA与与TD之之间间，存在两个稳定操作点存在两个稳定操作点着火点着火点F、熄火点、熄火点B、飞温、飞温着着火火点点附附近近，进进料料温温度度稍稍有有改改变超温变超温熄熄火火点点附附近近，进进料料温温度度稍稍有有改改变突然降温变突然降温/反应终止反应终止11 进料温度在TA与TD之间，存在两个稳定9.3 管式反应器的稳定性与参数灵敏性管式反应器的稳定性与参数灵敏性 热稳定性：返混很小的管式反应器，任何一个局部发生扰动，必然引起局部的温度变化，而温度变化只会影响反应器的下游，不会影响到反应器的上游有良好壁面传热的管式反应器主要的传热方向是径向，轴向传热可以忽略。稳定性问题是由径向温度分布所引起129.3 管式反应器的稳定性与参数灵敏性 热稳定性：12通过拟均相二维模型讨论：仅考虑径向热量传递时可以简化为：边界条件：推导目的：通过上式求出管式反应器热稳定性条件和最大管径13通过拟均相二维模型讨论：131414将以上结果代入到简化了的方程中去：15将以上结果代入到简化了的方程中去：151616以上方程在2时无有限解，说明当2时反应器的操作是不稳定的。1717径向最大允许温度差：基于=2，解得=1.37，意为在稳定的前提下，max=1.37，即：18径向最大允许温度差：18床层最大直径：为单位床层体积内放出的热量，称放热强度。则：19床层最大直径：19讨论：讨论：由床层最大允许温差条件，壁温不能太低，否则允许温差太小。由最大床层直径条件，放热强度增加，允许床层直径变小，但床层直径还受催化剂颗粒直径和反应器压降限制，不能过小，因此，在必要的情况下，有时对催化剂活性进行限制。20讨论：20反应器的轴向温度分布，对于放热反应，可能存在热点。由一维拟均相平推流模型：如果反应放热与壁面传热相等，反应器轴向将没有温度变化。9.4 反应器的热点和操作的安全性反应器的热点和操作的安全性21反应器的轴向温度分布，对于放热反应，可能存在热点。9.4 反即dT/dl=0如果放热量大于移热量，则dT/dl0，温度沿轴向升高，反之温度下降。如果放热量急剧增大，而热量又不能迅速移走时，将发生温度的失控，称飞温。飞温通常发生在：1入口浓度急剧增高；2入口温度急剧增高；3冷剂流量变小；4冷剂温度增高等。22即dT/dl=0222323飞温可能会造成严重事故催化剂烧结，燃烧，爆炸等。产生爆炸的原因：产生爆炸的原因：反应体积急剧膨胀造成压力猛增，超过设备能够承受的压力；局部超温，使设备强度下降，在正常操作压力下爆炸；超温造成设备应力增大；设备腐蚀造成局部强度下降等。24飞温可能会造成严重事故催化剂烧结，燃烧，爆炸等。24防止爆炸的措施：防止爆炸的措施：1严格控制温度、压力、浓度等操作参数；2超限报警，联锁停车，排放可燃物；3安全阀，阻火器，防爆膜等。25防止爆炸的措施：25催化反应过程进展催化反应过程进展强制周期操作（改变进料组成）强制周期操作（改变进料组成）流向周期变换操作（改变流体走向）流向周期变换操作（改变流体走向）循环流化床（始于循环流化床（始于19421942年，颗粒非定态，而床内温年，颗粒非定态，而床内温度和浓度保持定态）度和浓度保持定态）催化吸收耦联催化吸收耦联催化吸附耦联催化吸附耦联催化催化耦联（双功能催化剂、过程耦联）催化催化耦联（双功能催化剂、过程耦联）催化蒸馏催化蒸馏膜催化膜催化超临界化学反应超临界化学反应26催化反应过程进展强制周期操作（改变进料组成）26