第九章反應(yīng)器熱穩(wěn)定性

第九章反應(yīng)器熱穩(wěn)定性第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性9.1全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性9.2管式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性9.3反應(yīng)器參數(shù)的靈敏性第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一連續(xù)流動反應(yīng)器的設(shè)計按定常態(tài)條件，即規(guī)定了進料流量、組成和溫度；反應(yīng)器內(nèi)物料濃度、溫度、冷卻或加熱介質(zhì)的溫度、流量不隨時間發(fā)生變化。實際生產(chǎn)過程中上述諸參數(shù)不可能恒定不變，當出現(xiàn)某種干擾時，生產(chǎn)能否在最佳或接近最佳條件下進行，是值得重視的問題。外部的干擾造成穩(wěn)定的定態(tài)：反應(yīng)器本身的熱穩(wěn)定性良好，外部干擾不會造成系統(tǒng)操作狀況大的變化，一旦干擾除去，反應(yīng)又恢復(fù)到原來的定常態(tài)下操作。不穩(wěn)定的定態(tài)：微小的干擾，足以使反應(yīng)器的操作狀態(tài)偏離原來的定態(tài)，即使干擾消除，系統(tǒng)也不能恢復(fù)到原來的狀態(tài)。第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.1全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性9.1.1全混流反應(yīng)器的熱量衡算全混流反應(yīng)器為一敞開體系，對于定態(tài)操作，以進料溫度T0為基準溫度，由式（3.1-2)得熱量衡算式為：（9.1-1）已知：所以，熱量衡算式為：（9.1-2）T0、T、TC—分別為反應(yīng)器進口、出口及冷卻介質(zhì)溫度，K;ρ—物料平均密度，kg/m3;K—總傳熱系數(shù)，J/m2.K;第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.1.2全混流反應(yīng)器的定態(tài)物料衡算式為：對于一級不可逆放熱反應(yīng)，式（9.1-2）可以分為移熱速率和放熱速率兩部分：放熱速率：移熱速率：又根據(jù)設(shè)計方程式：（9.1-3）（9.1-4）（9.1-5）（9.1-6）（9.1-7）第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一式（9.1-3）可知：移熱速率是關(guān)于溫度T的一條直線。qTqrqg式（9.1-7）所表示的放熱速率關(guān)于溫度T是一條“S”型的曲線。MPN移熱速率qr相交于點M、P、N。放熱速率qg和在M、P、N點處，由于qr=qg，所以稱為定態(tài)操作點。在這三點處，溫度TN>TP>TM，轉(zhuǎn)化率xN>xP>xM。在這三點中，M、N是穩(wěn)定態(tài)的操作點，P點是不穩(wěn)定的操作點。圖9-1全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作溫度第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一？穩(wěn)定性：指反應(yīng)器操作過程中受到外界干擾后的自衡能力。1、點M、P、N自衡能力分析操作點熱擾動？熱穩(wěn)定性特點T升高T降低MPNqr>qg，T降低，回到點M。qr<qg，T升高，回到點M。是否qr>qg，T降低，移動到點M。qr<qg，T升高，移動到點N。是qr<qg，T升高，回到點N。qr>qg，T降低，回到點N。所以，熱穩(wěn)定性的條件是：（9.1-8）（9.1-9）qTqrqgMPNM、P、N點共同特性第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一2、定態(tài)操作點的改變定態(tài)的操作點會隨著條件的改變而發(fā)生變化。TT0GAFBDET隨T0的變化曲線是GAFBDE如圖9-2所示：在TC恒定時，將qr、qg按式（9.1-2）合并成：進料T0溫度變化路徑特殊點特點從G點升溫F點T陡升著火點FGAFDEB點T陡降熄火點BEDBAG從E點降溫第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一注意：TT0GAFBDETDTA當進料溫度在TA~TD范圍內(nèi)時，產(chǎn)生放熱反應(yīng)多定態(tài)現(xiàn)象（吸熱反應(yīng)只有一個定態(tài)）。在F點附近操作時，很容易產(chǎn)生超溫現(xiàn)象，造成燒毀催化劑，或燃燒爆炸等事故現(xiàn)象。在B點附近操作時，很容易產(chǎn)生迅速降溫現(xiàn)象，造成反應(yīng)終止。其它參數(shù)的改變，也可能造成定態(tài)操作點的改變，如：換熱介質(zhì)溫度、進料流量的改變。第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.2管式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性管式反應(yīng)器軸向返混程度很大較小全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)定性如前所述該擾動對上游影響很小，對下游的影響最終到達出口而“排出”。整個反應(yīng)器又恢復(fù)到上游工況所決定的狀態(tài)。這類反應(yīng)器不會造成整體的多態(tài)操作和不穩(wěn)定性,是局部穩(wěn)定性問題。?。。τ诰哂辛己帽诿?zhèn)鳠岬墓苁椒磻?yīng)器，傳熱方式主要是徑向，軸向傳熱可以忽略。第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.2.1徑向傳熱管式反應(yīng)器的熱量衡算根據(jù)二維擬均相模型：若不考慮軸向的熱量傳遞時，上式可簡化為：徑向的傳熱軸向的傳熱（9.2-1）（9.2-2）第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一若動力學(xué)方程為：并將式中變量改用無因次量表示：（9.2-3）（9.2-4）則式（9.2-2）可化簡為：（9.2-5）第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一若作近似處理：可得：（9.2-6）微分方程（9.2-6）在δ>2.0時得不到有限解，這表明在δ>2.0時，反應(yīng)器的操作是不穩(wěn)定的。?。?，管式反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的條件是：δ≤2.0（9.2-7）第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.2.2管式反應(yīng)器的允許最大溫度差和允許管徑管式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定條件是：δ≤2.0當δ=2.0時，方程的解為：θmax=1.37（9.2-8）（9.2-9）第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一管式反應(yīng)器允許最大管直徑可由：δ=2.0求得。公式（9.2-9）和（9.2-11）是管式反應(yīng)器熱穩(wěn)定性條件限制的最大徑向溫差和最大床層直徑。（9.2-10）（9.2-11）第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一這也解釋了反應(yīng)器設(shè)計控制的條件。對于一些（－△Hr）和大的放熱反應(yīng)，放熱強度Q大，及時取出反應(yīng)熱極為重要。然而這類反應(yīng)器往往用溫度較高的熱載體作為冷卻介質(zhì)。實際上，這是由（T-Tw)max所確定的。由式（9.2-11）可知，催化劑活性大，放熱強度Q大，要求床層直徑減小，通常床層直徑不小于20mm，因此，過大催化劑活性不僅沒有好處，反而有害。第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.2.3管式反應(yīng)器的熱點反應(yīng)器軸向分布規(guī)律？？？根據(jù)一維擬均相理想流動模型，反應(yīng)器的熱平衡方程為：壁面?zhèn)鳠岱磻?yīng)放熱當反應(yīng)放熱壁面?zhèn)鳠?床層軸向無溫差當反應(yīng)放熱壁面?zhèn)鳠?gt;床層軸向溫度升高當反應(yīng)放熱壁面?zhèn)鳠?lt;床層軸向溫度降低第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一1、反應(yīng)器入口處反應(yīng)物濃度的影響cA0高（-RA）快放熱>移熱可能出現(xiàn)“熱點”溫度（如圖9-3所示）甚至“飛溫”2、反應(yīng)器入口處反應(yīng)物濃度的影響T↗（-RA）快放熱>移熱可能出現(xiàn)“熱點”溫度（如圖9-3所示）甚至“飛溫”3、反應(yīng)器換熱介質(zhì)溫度的影響TW↗放熱>移熱（-RA）快可能出現(xiàn)“熱點”溫度（如圖9-3所示）甚至“飛溫”管式反應(yīng)器軸向熱點溫度分布情況分析?。?！第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一圖9-3管式反應(yīng)器軸向溫度分布cA1cA2cA3cA4cA5cA6cA1>cA2>cA3>cA4>cA5>cA6T軸向長度a濃度對軸向溫度分布的影響T1T2T3T4T5T6T1>T2>T3>T4>T5>T6T軸向長度b溫度對軸向溫度分布的影響第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.3反應(yīng)器參數(shù)的敏感性9.3.1反應(yīng)器的安全性?。?！每個反應(yīng)器的設(shè)計師和每個化工廠的操作人員都極為關(guān)心反應(yīng)器的安全性。催化反應(yīng)器發(fā)生事故可能由各種原因，常見的有以下幾種：機械式上造成的缺陷；催化劑再生時溫度過高超過額定值；再生式催化劑破碎；有危險的反應(yīng)發(fā)生；過程控制問題。第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一9.3.2反應(yīng)器參數(shù)的靈敏性？反應(yīng)器參數(shù)的靈敏性！反應(yīng)系統(tǒng)某參數(shù)微小變化其它參數(shù)重大變化例如：非等溫非絕熱固定床反應(yīng)器，當冷卻劑溫度稍微提高，即造成床層熱點溫度有很大的提高。9.3.2.1絕熱式反應(yīng)器的參數(shù)靈敏性由于絕熱式固定床的“返混”很小，且與壁面之間無熱量傳遞，因此可忽略徑向的溫度差。根據(jù)一維擬均相理想流動模型。物料衡算為：9.3-1第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一熱量衡算為：兩式相除得：下面討論進口溫度、濃度