第九章反应器热稳定性PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,石油化学工程系 化学工程与工艺教研室,weigang,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。,外部的干扰,造成,稳定的定态,：,反应器本身的热稳定性良好，外部干扰不会造成系统操作状况大的变化，一旦干扰除去，反应又恢复到原来的定常态下操作。,不稳定的定态,：微小的干扰，,足以使反应器的操作状态偏离原来的定态,，即使干扰消除，系统也不能恢复到原来的状态。,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,T,0,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）,T,0,、T、T,C,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/m,3,;,K,总传热系数，,J/m,2,.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。,q,T,q,r,q,g,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。,M,P,N,移热速率,q,r,相交于点,M、P、N。,放热速率,q,g,和,在,M、P、N,点处，由于,q,r,=q,g,，,所以称为定态操作点。,在这三点处，温度,T,N,T,P,T,M,，,转化率,x,N,x,P,x,M,。,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,操作点,热扰动,？热稳定性,特点,T,升高,T,降低,M,P,N,q,r,q,g,，T,降低，回到点,M。,q,r,q,g,，T,降低，移动到点,M。,q,r,q,g,，T,升高，移动到点,N。,是,q,r,q,g,，T,降低，回到点,N。,所以，热稳定性的条件是：,（9.1-8）,（9.1-9）,q,T,q,r,q,g,M,P,N,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,T,0,G,A,F,B,D,E,T,随,T,0,的变化曲线是,GAFBDE,如图9-2所示：在,T,C,恒定时，将,q,r,、q,g,按式（9.1-2）合并成：,进料,T,0,温度变化路径,特殊点,特点,从,G,点升温,F,点,T,陡升,着火点,F,GAFDE,B,点,T,陡降,熄火点,B,EDBAG,从,E,点降温,注意,：,T,T,0,G,A,F,B,D,E,T,D,T,A,当进料温度在,T,A,T,D,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,管式反应器,轴向返,混程度,很大,较小,全混流反应器,热稳定性如前所述,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（,H,r,）,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-T,w,),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20,mm，,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：,壁面传热,反应放热,当,反应放热,壁面传热,=,床层轴向,无温差,当,反应放热,壁面传热,床层轴向温度,升高,当,反应放热,壁面传热,移热,可能出现,“,热点,”,温度（如图9-3所示）,甚至,“,飞温,”,2、反应器入口处反应物浓度的影响,T,（-,R,A,）,快,放热移热,可能出现,“,热点,”,温度（如图9-3所示）,甚至,“,飞温,”,3、反应器换热介质温度的影响,T,W,放热移热,（-,R,A,）,快,可能出现,“,热点,”,温度（如图9-3所示）,甚至,“,飞温,”,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,c,A1,c,A2,c,A3,c,A4,c,A5,c,A6,c,A1,c,A2,c,A3,c,A4,c,A5,c,A6,T,轴向长度,a,浓度对轴向温度分布的影响,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,T,轴向长度,b,温度对轴向温度分布的影响,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,T,0,T,+,dT,0,+,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,T,0,求导得：,由于,很小,