反应工程课件第三章

任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。

3.3.3

全混流反应器的热稳定性

对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环

反应温度上升反应速率加快反应放热速率增大

1）热稳定性和参数灵敏性的概念如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的，就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的，但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的平衡和不稳定的平衡。

一般来说，热稳定性条件要比热平衡条件苛刻得多。热平衡条件只要求放热速率等于移热速率，因此可以采用很大的传热温差，以减少必需的传热面，从而简化了反应器的结构；而热稳定性条件则给传热温盖以限制，要求传热温差小于某个规定值，因而增加了所需的传热面积，使反应器结构复杂化。热稳定性问题，严格地说属于动态问题。

即使反应器满足热稳定性条件，仍然还有一个垂数灵敏性问题。参数灵敏性指的是各有关参数(流量、进口温度、冷却温度等)作做小的调整时，反应器内的温度(或反应结果)将会有多大变化。稳定性问题，系统所受到的短暂的扰动消失后，如果原定态点是稳定的，将逐步恢复到原操作状态。参数灵敏性问题，如果某操作参数的微小变化会引起操作状态的很大变化，则为反应器操作状态对该参数灵敏，反之为不灵敏。

如果反应器的参数灵敏性过高，那么对参数的调节就会有过高的精度要求，使反应器的操作变得十分困难。因此，在反应器的设计中，确定设备尺寸和工艺条件时必须设法避免过高的参数灵敏性。无论是热稳定性还是参数灵敏牲，两者都给反应器的设计增加了限制因素。如果不予重视，往往会使设计的反应器无法操作。1）全混流反应器的多态自热过程：化工生产中的放热过程，通常利用反应热加热原料，以达到反应所要求的温度，这种过程称为自热过程。热稳定性：是指定态的抗干扰能力，当外界条件有一个小的扰动时，能否仍然达到自热要求。对反应器的要求：能自热平衡，维持反应在恒温下进行，当外部环境发生变化时，能保持热稳定性。Vm/s33hht干扰（1）全混流反应器的定态基本方程条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变A、放热速率B、移热速率（2）全混流反应器的多态QR(QC)QCQRNPMTTMTPTNQR曲线与QC直线的交点处QR=QC放热速率=移热速率，达到了热平衡，就是系统的操作点。并且这种交点随操作参数不同有可能是多个，这种有多个交点的现象称为反应器的多态。M点：

当有扰动使T略大于TM时(dT＞0)，移热速率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到M点。当有扰动使T略小于TM(dT＜0)时，移热速率小于放热速率，体系温度上升，自动恢复到M点QQCQRNPMTTMTPTN多态操作点的特征QQrQGNPMTTMTPTNP点：当有扰动使T略大于TP时(dT＞0),移热速率小于放热速率，体系继续温度上降，直至到N点。当有扰动使T略小于TP时(dT＜0),

移热速率大于放热速率，体系温度继续下降，直至到M点。N点：

当有扰动使T略大于TN时(dT＞0)，移热速率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到N点。当有扰动使T略小于TN(dT＜0)时，，移热速率小于放热速率，体系温度上升，自动恢复到N点。QQCQRNPMTTMTPTNM、N点是稳定的定态点，P点为不稳定的定态点全混流反应器有热稳定的操作点的条件：QQCQRNPMTTMTPTNQR=QC放热速率=移热速率放热速率曲线的斜率﹤移热速率直线的斜率M、N点都是稳定的定态点实际操作中选哪一个？5

随着操作条件的改变，定态温度也随之而变。图3.15为进料温度T0与定态温度T的关系示意图。当进料温度从T1慢慢地增加至T5时，定态温度的变化如图中曲线12489所示。注意的是曲线在点4处是不连续的，定态温度突然增高，这一点称为着火点；再继续提高进料温度，定态温度的升高再不出现突跳现象；若将进料温度逐渐降低，比如从9降至6，定态温度则沿987621曲线下降。这条曲线也存在一个间断点6，此处定态温度出现突降，这点称为熄火点。2）操作参数对热稳定性的影响

着火与熄火现象对于反应器操作控制甚为重要，特别是开停工的时候。例如，若操作温度系在着火点附近，进料温度稍有改变，便会产生超温，从而破坏操作，可能出现烧坏催化剂或者可能产生爆炸等事故；在熄火点附近操作时，则易产生突然降温以致反应终止。为了使反应器操作稳定，应使用尽可能大的传热面积，和尽可能小的传热温差等。至于釜式反应器，如果调节手段适当，不一定非要在稳定的定态下操作。3.4

理想流动反应器的组合与比较3.4.1理想流动反应器组合

连接方式：串联、并联反应器类型：平推流、全混流串联：前后顺序共有七种组合讨论：条件：（1）等温（2）两个等体积理想反应器组合（3）一级不可逆反应（4）V0,,，CA0相同问题：不同组合下，出口浓度如何？(a)为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓度即为混合后的出口浓度

(b婆)为两叙个全不混流全反应碌器串以联，猪第二但反应忧器出崖口浓挂度为(c猎)为平睬推流机反应鼻器与普全混蛮流反贴应器饺串联轰，第锈二反则应器僵出口渴浓度贝为(d状)为全愧混流凳反应慨器与槽平推宾流反戴应器镜串联阿，第琴二反献应器册出口秆浓度黄为(e撤)为两弊个平司推流屯反应卖器并程联。洲每只授平推盼流反键应器折的出房诚口浓伸度即盖为混选合后悠的出帅口浓喷度(f国)为两袄只平荒推流膏反应摧器串湿联，课第二集平推勤流反垄应器蛛出口聋浓度仇为(g踏)为平弄推流头与全藏混流枯反应挎器并妖联结论(1驶)慈C与d等效与，平隔推流敢与全畏混流作反应草器串例联时乳，与证顺序昌无关抄。（2）e与f等效最，两挣个平嫁推流膝反应航器串参联和屡并联浑时结各果相军同，翅与连聋接方因式无位关。（3）CAf：a>贵b>膏c=幸d>贴e=疫f(4洪)xAf:f凭=e旅>d爽=c芽>b尊>a例题3-之4：等辽体积姜的平耕推流将与全伴混流牌反应稍器串妥联，诊在等棋温条役件下岛进行特二级既不可东逆反凶应，企反应液速率平推妹流与帐全混刺流反帽应器竹的接搬触时炊间均育为1m尽in趣,计算其最她终转辫化率砌。讨论领：对二枪级不容可逆应反应婚，两名种组暗合最拨终转默化率末不相密同，渐在本翻题条旺件下众，平情推流精在前健优于蒜全混游流在难前。3.社4.堆2理想氏流动珠反应算器的朝体积饮比较如果卸在这捕些理泄想反士应器否中进泪行相宾同的脂反应掌，采株用相砌同的亭进料绪流量堤与进苗料浓长度，吃反应当温度五与最砌终反姥应率熊也相尤同。构这几拿种反套应器房诚所需晶的体担积是誉否相妨同呢?(1扭)间歇回反应处器与恒平推航流反飘应器泊体积痰比较如果间歇跪反应苍器与沉平推番流反熊应器际中进行返相同铲的反欲应，狐采用恐相同别的进证料流头量与上进料按浓度则，反劝应温弹度与奇最终灾反应仙率也捆相同赏。则损两者铲的体探积是挠相同此的(未考捐虑间胸歇反齿应器杜的辅滴助时初间)，这叨是因纲为它岭们均迫不存贷在返疯混。(2矩)全混件流反收应器杰与平御推流拉反应沉器体冠积比化较如果德全混戒流反毙应器使与平温推流提反应画器中砖进行亮相同携的反症应，歇采用菌相同碍的进叹料流话量与恨进料观浓度眨，反溜应温齐度与鄙最终责反应幅率也昂相同根。则尝由于江全混帝流反华应器庸中存桨在返拍混。穿所以鸣反应叮体积播要大谅一些止。设VRP与VRM分别青表示贡平推贫流与问全混轨流反乡丰应器熄的反俯应体蛇积，追两者励之比当V0、CA0、xAf相同撒时，夹全混弯流反伐应器挪所需絮体积律大于绞平推降流反弄应器伍的体羡积，梁这是龙由于易前者多存在肾返混姓造成傍的。讨论（1）VRM大于VRP（2）(3聚)平推双流反虽应器恭与多侄级串银联全处混流线反应摆器体改积比窑较多级撇全混止流反膀应器厨串联妇操作虏可以抽减小英返混赵，提异高推吵动力毛，缩裁小与平晴推流引反应口器的昏体积售差别吨。A、对崖一级晋不可妈逆反草应等体画积的绒多级壮全混佩流反骑应器深串联更，设VRP与VRM分别秤表示史平推旺流与割多级稿串联赚全混症流反膀应器巷的反叙应体屠积，邻两者医之比为B、对滤二级让不可锁逆反蚊应对于爬多重舅反应浮，反扑应器件中的扬流动围情况乏不仅京影响君反应宗器的膨大小票，还愈要影摇响反勒应的夹选择泥率。夸对工讯业反职应过雁程，暂选择乐性的洞要求诞比反转应器雾大小丘更重各要。3.百5多重必反应外的选旱择率3.盖5.萌1平行絮反应反应螺物同辟时独蕉立地蓄进行伯两个弃或两震个以谋上的目反应折称为员平行辫反应义。化禁工生纪产中突许多绞取代随、加成成及脚分解摔反应戒过程祖存在体着平渐行反芳应。停典型镰的平掏行反或应可挤表示贵为AL(主反应)M(副反应)12A+BL(主反应)M(副反应)12OR影响带因素⑴选择菊率的边温度公效应⑵选择卧率的幕浓度僵效应⑶平行筹反应哗加料伪方式予的选垮择A+BL(主反应)M(副反应)121）对世比速帝率AL(主反应)M(副反应)122）平夸行反无应的代选择幻玉率AL(主反应)M(副反应)123）反痛应器逆的形龙式与织选择民率的简关系4）平算行反拔应选帅择率滤的影喊响因雀素AL(主反应)M(副反应)12(1除)温度溉效应提高硬温度摸对活陈化能芳高的刻反应也有利降低何温度辞对活蝇化能瓜低的卸反应浑有利若E1>E2,则在后较高献温度叼下进硬行若E1<E2,则在泉较低齐温度耀下进汉行若E1=E2,温度膛变化汗对选截择性烘无影嗽响(2届)浓度巷效应若a1>a2,较高戏反应泡物浓活度对店主反疼应有肾利若a1<a2,较低扒反应宽物浓倒度对鼠主反事应有艺利若a1=a2,反应灿物浓猪度对矮选择肚性无青影响平推巷流反新应器售，低奸的单滴程转财化率全混挠流反咸应器光，加锄入稀黑释剂毒；反牢应后曲物料靠循环提高接浓度期对级筒数高班的反疏应有蛛利降低捡浓度驴对级湾数低肆的反爷应有鸦利A+BL(主反应)M(副反应)125)平行醋反应谁提高架选择欧率的搁方法间歇没操作n1>n2,助m1>m2CA,番CB都高n1>n2,询m1<m2CA高,匆CB低n1<n2,商m1<m2CA,延CB都低连续铃流动闻操作n1>n2,波m1>m2CA,贼CB都高n1<n2,殖m1<m2CA,皇CB都低n1>n2,坚m1<m2CA高,社CB低思考免题：对平修行反敌应A+充B→构L（副扬反应昏），A+艺B→警M（主替反应霉），辨其中rL=k10ex恳p(史-究)CACB1.猫5rM=k20ex花p(童-祖)仇CA0.滚5CB2当A的转确化率XA一定惕时，预试分出析如锋何提踢高主产物M的选处择率尼。3.隶5.艘2连串哭反应条件暮：（1）等贤温（2）一徐级不酷可逆勤反应（3）反萍应过杂程无炸体积斗变化1）反巧应速馒率连串窃反应灶是指仿反应陶主产非物能坑进一客步反堂应成桶其他口副产物钩的过莫程，仓许多株卤化阳、水耐解反沸应都谎属连海串反裂应。2）浓懂度与拢时间听的关漠系连串阻反应愚的瞬锐时选碑择率s可表不示为富：3)连串类反应适的选角择率4)连串队反应帐的温打度效蹈