釜式反应器.doc

11.2 化工CSTR系统动态特点分析釜式反应器是一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。釜式反应器按操作方式可分为：间歇釜式反应器（或称间歇釜）、连续釜式反应器（或称连续釜）、半连续釜式反应器。本项目所研究的预报对象是连续釜式反应器。 连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR），操作方式为连续进料、连续反应、连续出料，为带有搅拌桨叶的槽式反应设备。在稳态操作时，反应器同一部位的操作参数不随时间而变，有利于产品质量控制和过程自动控制。与间歇反应器操作方式不同，没有装料、卸料、升温等不发生化学反应的辅助时间，因而生产能力较大，辅助劳动少。适用于反应速度慢的液相反应，使用时可用单个反应槽(釜)，也可把几个反应槽(釜)串联成一组。 CSTR是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。在化工生产的核心设备中占有相当重要的地位，在染料、医药试剂、食品及合成材料工业中，CSTR 得到了广泛的应用。在CSTR中，反应原料以稳定的流速进入反应器，反应器的反应物料以同样稳定流速流出反应器。由于强烈搅拌的作用，刚进入反应器的新鲜物料与已存留在反应器的物料在瞬间达到完全混合，使釜内物料的浓度和温度处处相等。同样，在反应器出口处即将流出反应器的物料浓度也应该与釜内物料浓度一致，因此流出反应器的物料浓度与反应器内的的物料浓度相等。连续搅拌釜式反应器中的反应速率即由釜内物料的温度和浓度决定。CSTR系统模型如下图所示：图11-2 CSTR系统工作原理图由于CSTR系统大多进行的是高温、高压反应，原料、中间体和产品大多具有易燃、易爆等特性，稍有疏忽就很容易出现故障，发生事故。下面对连续反应过程的特性进行简单介绍：（1）全混流反应器特征由于反应器有强烈的搅拌作用，使得反应器内的物料流动状态满足全混流假定，即反应器内各点的组成和温度都是均匀的，反应器的出口组成和出口温度与反应器内相等。（2）反应停留时间从反应物料进入反应器开始至反应物料离开反应器为止，所经历的时间称为停留时间。该时间与反应器中实际的物料容积和物料的体积流量有关。一般来说停留时间长，进料流量小，反应转化率高。由于反应器的物料流动状态满足全混流假定，可以采用平均停留时间的方法表达，反应平均停留时间等于反应器中物料实际容积除以反应器中参与反应的物料体积流量。（3）反应温度反应釜的反应一般都是放热反应，因此，根据反应温度的高低能够判断反应速率的快慢，即反应速度加快时，放出的热量增加，导致系统温度升高；反之系统温度下降，因为此时出口物料流量和夹套冷却水会带走热量。放热反应属于非自衡的危险过程，当反应温度过高时，反应速度加快，使得反应放出的热量增加，如果热量无法及时移走，则反应温度进一步升高。这种“正反馈”作用将导致“暴聚”事故，此时由于温度超高，系统压力必定超高，如果超过反应器所能够耐受的压力，可能发生爆炸与火灾事故。（4）反应压力反应压力的高低主要取决于反应器中物料含量的百分比与反应温度，反应压力随反应温度变化，即反应温度上升，反应压力也同步上升，反应温度下降，反应压力也同步下降。亦即，反应压力升高表征着反应速度加快，转化率提高。CSTR系统的故障预报就是对进料流量，反应温度和反应压力等特性参数进行预报，并根据预报曲线结果判断其特性值是否达到阈值，若预报值没有达到阈值且没有逼近阈值的趋势，则判定系统处于正常状态；若预报值达到或超过阈值，则判定故障发生；若预报值没有达到阈值但是有逼近阈值的趋势，则根据趋势变化，对系统是否发生故障预报进行概率估计。预报对象CSTR故障模型如下：CSTR的模型如下：其中是反应浓度；是反应温度；是冷却剂的温度；是反应物进料流速；是进料浓度；是进料温度；是反应釜的体积；是预指数因子；是活化能；是反应热；