9反应器的热稳定性和参数灵敏性课件

第九章

Chapter9

反应器的热稳定性和参数灵敏性

ThermalStability&ParameterSensitivity

第九章

Chapter9

反应器的热稳定性和参数灵敏性

1连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进料流量、组成及温度；反应器内物料浓度、温度、冷却（加热）介质的温度、流量不随时间发生变化。在实际生产过程中，这些参数不可能恒定不变。当出现某种干扰时，生产能否在最佳条件下操作？在前几章中讨论过，反应速率随温度呈非线性函数，而传热速率随温度呈线性关系。因此，进料组成或温度的任何波动，都可能引起反应放热与所排出的热量不相适应的情况，从而引起反应器内操作状态的变化。连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进在实际生产过程2外部干扰可能使反应器出现以下两种情况：A、稳定定态反应器本身热稳定性良好，外部干扰不会引起系统操作状况大的变化，反应仍可在接近最佳状态下运行。一旦干扰排除，则马上又恢复到原定常态下运行。B、不稳定定态微小干扰就足以使反应器操作状态偏离原定状态，即使扰动消除，系统也不能恢复到原来状态。外部干扰可能使反应器出现以下两种情况：A、稳定定态反应器本3CSTR内各参数均一，数学处理简单。本章首先讨论CSTR的热稳定性，再讨论PFR的稳定性及参数敏感性，并阐述热稳定性和参数灵敏性的一些基本概念。[学习目的]了解热稳定性和反应器参数的灵敏性。[重点与难点]全混流反应器和管式反应器的热稳定性。CSTR内各参数均一，数学处理简单。[学习目的]4第一节全混流反应器的热稳定性一、CSTR的热量衡算过程焓变：物系与环境交换的热量为：热量衡算式：第一节全混流反应器的热稳定性一、CSTR的热量衡算过程焓5二、全混流反应器的定态定态下，CSTR的操作温度及要达到的转化率应满足物料及热量衡算式。1级不可逆放热：二、全混流反应器的定态定态下，CSTR的操作温度及要达到的转6使物料从温度T0升高到操作温度T所需的热量+冷却介质带走的热量左边：移热速率qr：右边：反应放热速率：使物料从温度T0升高到操作温度T所需的热量+左边：移热速率q7图解法：分别以对T作图，图中移热速率为一直线，其斜率为：而放热速率为一S形曲线。图解法：分别以对T作图，而放热速率为8三个定态点除了温度和转化率不同外，其稳定性（反应器操作受到外来干扰后的自衡能力）也有差别。例如，进料温度波动，会引起反应温度波动，从而使反应器操作偏离原来的状态。当进料温度恢复正常后，如果反应温度能恢复到原来的定态温度，则称为稳定的定态点，如果不能，则称为不稳定的定态点。在图中，对于稳定定态点M及P，有：移热线斜率>放热线斜率，即：定态操作的必要条件三个定态点除了温度和转化率不同外，其稳定性例如，进料温度波动9随着操作条件的改变，定态温度也将改变。定态温度突然升高的点，称为着火点；定态温度出现突降的点，称为熄火点。着火与熄火现象对于反应器操作很重要，特别是开停工的时候。随着操作条件的改变，定态温度也将改变。定态温度突然升高的点10定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和反应器的操作条件，如进料温度和流量，反应器与环境的换热情况等。只有放热反应才会出现多定态现象，而吸热反应的定态总是唯一的。定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和反应器的操作条件，如11第二节管式反应器的热稳定性（自学）流体在管式反应器内作非理想流动，由于逆向扩散，产生返混现象。当轴向扩散系数很大时，反应器接近全混流反应器，有可能存在多重定态和热稳定性问题。本节只讨论轴向返混很小的管式反应器热稳定性问题。第二节管式反应器的热稳定性（自学）流体在管式反应器内作非12由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且会向下游方向移动，最终到达出口排出，排除后，反应器又恢复到原来由上游工况所决定的状态。对于返混很小的管式反应器，当局部受到干扰时，必然会引起相应的温度变化，该温度变化将会影响反应器下游的工作状态，最终波及反应器出口。这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性。由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且会向下游方向13第三节反应器参数的灵敏性一、反应器的安全性对于反应器的设计师或反应器的操作人员而言，都应十分关心反应器的安全性。对于多数反应器，都能按照其设计的操作方案平稳地进行操作，而少数反应器，则存在操作失常状态，严重的将引起致命的事故。因此反应器的设计师有责任检验和确保反应器平稳安全地进行操作。第三节反应器参数的灵敏性一、反应器的安全性对于反应器的14催化反应器发生事故的原因：1、机械制造上的缺陷例如，焊缝的焊接不良等（焊接工人的失误或管理不善、检验不严等原因）。这类事故往往没有先兆，但是可以避免的。2、催化剂再生时温度过高，超过额定值对于器内再生催化剂的反应器，应满足：稳定过程及催化剂再生阶段的温度和压力记录再生温度：保证及时发现温度过高，避免反应器在壳体强度降低的情况下返回正常操作；不在器内再生：即反应器的设计可以只满足稳态操作过程即可。催化反应器发生事故的原因：1、机械制造上的缺陷例如，焊缝的153、再生时催化剂破碎再生方法可能影响催化剂强度，使催化剂床层中出现粉尘。在随后的操作中，粉尘对于某些未知的放热副反应会起催化作用，致使发生剧烈温升，有时甚至导致反应器发生事故。改进再生的方法来预防粉尘的生成；每次再生后将催化剂筛一下，将粉尘取出反应器。操作方法：3、再生时催化剂破碎再生方法可能影响催化剂强度，使催化剂床层164、有危险的反应有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏感，有的会产生有危险的副反应，有的甚至在没有明显诱因的情况下，也会发生爆炸。设计师：保证压力容器的设计方面和制造方面，或者是再生方面的问题。为了安全，常常将反应器放在屏障或钢筋混凝土墙的后面，反应器的操作和控制在远距离处进行。爆炸的可能性导致保险费用提高，从而提高了化工产品的成本。4、有危险的反应有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏175、过程控制问题设计完善、制造精确的反应器也会由于过程控制不当而出现事故。在放热反应中，某些参数：组分比例、热交换条件等应严格控制，不然会大大超过额定值，使反应器出现故障。良好的模拟程序能够准确指出温度超过额定值的可能性和动态过程控制中的薄弱环节，并防止出现控制问题。建立模型还能揭示参数敏感性方面的问题。5、过程控制问题设计完善、制造精确的反应器也会由于过程控制不18进行气固相催化反应器设计时，应注意的地方：1、反应器设计时，要考虑安全裕度；2、设计合理的操作规范，严格操作程序。如催化剂再生时，温度不能超过额定值、注意催化剂再生时破碎等情况、反应的危险性等；3、反应器严格按照设计进行制造、检验，坚决杜绝有缺陷的反应器投入使用等。进行气固相催化反应器设计时，应注意的地方：1、反应器设计时，19二、反应器参数的灵敏性当反应系统一个参数的微小变化引起其他参数有重大变化时，这种现象称为参数的灵敏性。1、绝热式反应器的参数敏感性反应器各处状态仅决定于进口条件。假定：径向温度均一，采用一维拟均相模型：物料衡算：热量衡算：二、反应器参数的灵敏性当反应系统一个参数的微小变化引起其他参201）进口温度对床层参数的影响若进口温度为T0，出口温度为T，若进口温度出现dT0的变化，则出口气体温度也将出现dT的变化，dT/dT0称为温度敏感度。灵敏性指数：1）进口温度对床层参数的影响若进口温度为T0，出口温度为T，21对于绝热式固定床反应器，可根据工艺条件、操作特性及控制调节能力等，确定一个合理的灵敏度：进出口允许温差：对于绝热式固定床反应器，可根据工艺条件、操作特性进出口允许温222）进口气体浓度对床层参数的影响由于反应器的灵敏度决定了流体进、出口的温差值，希望通过绝热反应器获得较高转化率只能从降低绝热温升着手。2）进口气体浓度对床层参数的影响由于反应器的灵敏度决定了流体23对于确定的反应过程，反应热恒定，定压热容变化也不大，故最好的办法是在原料气中掺入惰性气体（不参加反应的气体），这样，可降低反应物的浓度，从而降低绝热温升，达到提高反应转化率的目的。工业上，常采用水蒸汽作为稀释剂，出口气体经冷却冷凝便可除去水分。对于确定的反应过程，反应热恒定，定压热容变化也不工业上，常采242、非恒温非绝热反应器的灵敏性（自学）2、非恒温非绝热反应器的灵敏性（自学）25基本概念:稳定定态点、不稳定定态点、稳态操作的必要条件、着火点、熄火点、气固相催化反应器设计的时候应注意的地方、反应器参数灵敏性（进口温度、进口浓度）小结基本概念:小结26《化学反应工程》这门课程全部结束！谢谢大家！Email:yhswjyhs@126.com《化学反应工程》这门课程全部结束！27第九章

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28连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进料流量、组成及温度；反应器内物料浓度、温度、冷却（加热）介质的温度、流量不随时间发生变化。在实际生产过程中，这些参数不可能恒定不变。当出现某种干扰时，生产能否在最佳条件下操作？在前几章中讨论过，反应速率随温度呈非线性函数，而传热速率随温度呈线性关系。因此，进料组成或温度的任何波动，都可能引起反应放热与所排出的热量不相适应的情况，从而引起反应器内操作状态的变化。连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进在实际生产过程29外部干扰可能使反应器出现以下两种情况：A、稳定定态反应器本身热稳定性良好，外部干扰不会引起系统操作状况大的变化，反应仍可在接近最佳状态下运行。一旦干扰排除，则马上又恢复到原定常态下运行。B、不稳定定态微小干扰就足以使反应器操作状态偏离原定状态，即使扰动消除，系统也不能恢复到原来状态。外部干扰可能使反应器出现以下两种情况：A、稳定定态反应器本30CSTR内各参数均一，数学处理简单。本章首先讨论CSTR的热稳定性，再讨论PFR的稳定性及参数敏感性，并阐述热稳定性和参数灵敏性的一些基本概念。[学习目的]了解热稳定性和反应器参数的灵敏性。[重点与难点]全混流反应器和管式反应器的热稳定性。CSTR内各参数均一，数学处理简单。[学习目的]31第一节全混流反应器的热稳定性一、CSTR的热量衡算过程焓变：物系与环境交换的热量为：热量衡算式：第一节全混流反应器的热稳定性一、CSTR的热量衡算过程焓32二、全混流反应器的定态定态下，CSTR的操作温度及要达到的转化率应满足物料及热量衡算式。1级不可逆放热：二、全混流反应器的定态定态下，CSTR的操作温度及要达到的转33使物料从温度T0升高到操作温度T所需的热量+冷却介质带走的热量左边：移热速率qr：右边：反应放热速率：使物料从温度T0升高到操作温度T所需的热量+左边：移热速率q34图解法：分别以对T作图，图中移热速率为一直线，其斜率为：而放热速率为一S形曲线。图解法：分别以对T作图，而放热速率为35三个定态点除了温度和转化率不同外，其稳定性（反应器操作受到外来干扰后的自衡能力）也有差别。例如，进料温度波动，会引起反应温度波动，从而使反应器操作偏离原来的状态。当进料温度恢复正常后，如果反应温度能恢复到原来的定态温度，则称为稳定的定态点，如果不能，则称为不稳定的定态点。在图中，对于稳定定态点M及P，有：移热线斜率>放热线斜率，即：定态操作的必要条件三个定态点除了温度和转化率不同外，其稳定性例如，进料温度波动36随着操作条件的改变，定态温度也将改变。定态温度突然升高的点，称为着火点；定态温度出现突降的点，称为熄火点。着火与熄火现象对于反应器操作很重要，特别是开停工的时候。随着操作条件的改变，定态温度也将改变。定态温度突然升高的点37定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和反应器的操作条件，如进料温度和流量，反应器与环境的换热情况等。只有放热反应才会出现多定态现象，而吸热反应的定态总是唯一的。定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和反应器的操作条件，如38第二节管式反应器的热稳定性（自学）流体在管式反应器内作非理想流动，由于逆向扩散，产生返混现象。当轴向扩散系数很大时，反应器接近全混流反应器，有可能存在多重定态和热稳定性问题。本节只讨论轴向返混很小的管式反应器热稳定性问题。第二节管式反应器的热稳定性（自学）流体在管式反应器内作非39由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且会向下游方向移动，最终到达出口排出，排除后，反应器又恢复到原来由上游工况所决定的状态。对于返混很小的管式反应器，当局部受到干扰时，必然会引起相应的温度变化，该温度变化将会影响反应器下游的工作状态，最终波及反应器出口。这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性。由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且会向下游方向40第三节反应器参数的灵敏性一、反应器的安全性对于反应器的设计师或反应器的操作人员而言，都应十分关心反应器的安全性。对于多数反应器，都能按照其设计的操作方案平稳地进行操作，而少数反应器，则存在操作失常状态，严重的将引起致命的事故。因此反应器的设计师有责任检验和确保反应器平稳安全地进行操作。第三节反应器参数的灵敏性一、反应器的安全性对于反应器的41催化反应器发生事故的原因：1、机械制造上的缺陷例如，焊缝的焊接不良等（焊接工人的失误或管理不善、检验不严等原因）。这类事故往往没有先兆，但是可以避免的。2、催化剂再生时温度过高，超过额定值对于器内再生催化剂的反应器，应满足：稳定过程及催化剂再生阶段的温度和压力记录再生温度：保证及时发现温度过高，避免反应器在壳体强度降低的情况下返回正常操作；不在器内再生：即反应器的设计可以只满足稳态操作过程即可。催化反应器发生事故的原因：1、机械制造上的缺陷例如，焊缝的423、再生时催化剂破碎再生方法可能影响催化剂强度，使催化剂床层中出现粉尘。在随后的操作中，粉尘对于某些未知的放热副反应会起催化作用，致使发生剧烈温升，有时甚至导致反应器发生事故。改进再生的方法来预防粉尘的生成；每次再生后将催化剂筛一下，将粉尘取出反应器。操作方法：3、再生时催化剂破碎再生方法可能影响催化剂强度，使催化剂床层434、有危险的反应有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏感，有的会产生有危险的副反应，有的甚至在没有明显诱因的情况下，也会发生爆炸。设计师：保证压力容器的设计方面和制造方面，或者是再生方面的问题。为了安全，常常将反应器放在屏障或钢筋混凝土墙的后面，反应器的操作和控制在远距离处进行。爆炸的可能性导致保险费用提高，从而提高了化工产品的成本。4、有危险的反应有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏445、过程控制问题设计完善、制造精确的反应器也会由于过程控制不当而出现事故。在放热反应中，某些参数：组分比例、热交换条件等应严格控制，不然会大大超过额定值，使反应器出现故障。良好的模拟程序能够准确指出温度超过额定值的可能性和动态过程控制中的薄弱环节，并防止出现控制问题。建立模型还能揭示参数敏感性方面的问题。5、过程控制问题设计完善、制造精确的反应器也会由于过程控制不45进行气固相催化反应器设计时，应注意的地方：1、反应器设计时，要考虑安全裕度；2、设计合理的操作规范，严格操作程序。如催化剂再生时，温度不能超过额定值、注意催化剂再生时破碎等情况、反应的危险性等；3、反应器严格按照设计进行制造、检验，坚决杜绝有缺陷的反应器投入使用等。进行气固相催化反应器设计时，应注意的地方：1、反应器设计时，46二、反应器参数的灵敏性当反应系统一个参数的微小变化引起其他参数有重大变化时，这种现象称为参数的灵敏性。1、绝热式反应器的参数敏感