第九章反应器热稳定性

第九章反应器热稳定性第一页，共二十四页，2022年，8月28日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第二页，共二十四页，2022年，8月28日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。第三页，共二十四页，2022年，8月28日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T0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）T0、T、TC—分别为反应器进口、出口及冷却介质温度，K;ρ—物料平均密度，kg/m3;K—总传热系数，J/m2.K;第四页，共二十四页，2022年，8月28日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）第五页，共二十四页，2022年，8月28日式（9.1-3）可知：移热速率是关于温度T的一条直线。qTqrqg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。MPN移热速率qr相交于点M、P、N。放热速率qg和在M、P、N点处，由于qr=qg，所以称为定态操作点。在这三点处，温度TN>TP>TM，转化率xN>xP>xM。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第六页，共二十四页，2022年，8月28日？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MPNqr>qg，T降低，回到点M。qr<qg，T升高，回到点M。是否qr>qg，T降低，移动到点M。qr<qg，T升高，移动到点N。是qr<qg，T升高，回到点N。qr>qg，T降低，回到点N。所以，热稳定性的条件是：（9.1-8）（9.1-9）qTqrqgMPNM、P、N点共同特性第七页，共二十四页，2022年，8月28日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。TT0GAFBDET随T0的变化曲线是GAFBDE如图9-2所示：在TC恒定时，将qr、qg按式（9.1-2）合并成：进料T0温度变化路径特殊点特点从G点升温F点T陡升着火点FGAFDEB点T陡降熄火点BEDBAG从E点降温第八页，共二十四页，2022年，8月28日注意：TT0GAFBDETDTA当进料温度在TA~TD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。第九页，共二十四页，2022年，8月28日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。第十页，共二十四页，2022年，8月28日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）第十一页，共二十四页，2022年，8月28日若动力学方程为：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）第十二页，共二十四页，2022年，8月28日若作近似处理：可得：（9.2-6）微分方程（9.2-6）在δ>2.0时得不到有限解，这表明在δ>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：δ≤2.0（9.2-7）第十三页，共二十四页，2022年，8月28日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：δ≤2.0当δ=2.0时，方程的解为：θmax=1.37（9.2-8）（9.2-9）第十四页，共二十四页，2022年，8月28日管式反应器允许最大管直径可由：δ=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）第十五页，共二十四页，2022年，8月28日这也解释了反应器设计控制的条件。对于一些（－△Hr）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-Tw)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20mm，因此，过大催化剂活性不仅没有好处，反而有害。第十六页，共二十四页，2022年，8月28日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<床层轴向温度降低第十七页，共二十四页，2022年，8月28日1、反应器入口处反应物浓度的影响cA0高（-RA）快放热>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↗（-RA）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TW↗放热>移热（-RA）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！！！第十八页，共二十四页，2022年，8月28日图9-3管式反应器轴向温度分布cA1cA2cA3cA4cA5cA6cA1>cA2>cA3>cA4>cA5>cA6T轴向长度a浓度对轴向温度分布的影响T1T2T3T4T5T6T1>T2>T3>T4>T5>T6T轴向长度b温度对轴向温度分布的影响第十九页，共二十四页，2022年，8月28日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。第二十页，共二十四页，2022年，8月28日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第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日热量衡算为：两式相除得：下面讨论进口温度、浓