第九章反應器熱穩(wěn)定性

第九章反應器熱穩(wěn)定性連續(xù)流動反應器得設計按定常態(tài)條件,即規(guī)定了進料流量、組成和溫度;反應器內物料濃度、溫度、冷卻或加熱介質得溫度、流量不隨時間發(fā)生變化。實際生產過程中上述諸參數(shù)不可能恒定不變,當出現(xiàn)某種干擾時,生產能否在最佳或接近最佳條件下進行,就是值得重視得問題。外部的干擾造成穩(wěn)定的定態(tài)：反應器本身的熱穩(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，反應又恢復到原來的定常態(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)也不能恢復到原來的狀態(tài)。9、1全混流反應器得熱穩(wěn)定性9、1、1全混流反應器得熱量衡算全混流反應器為一敞開體系,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—分別為反應器進口、出口及冷卻介質溫度,K;ρ—物料平均密度,kg/m3;K—總傳熱系數(shù),J/m2、K;9、1、2全混流反應器得定態(tài)物料衡算式為:對于一級不可逆放熱反應,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:又根據設計方程式:(9、1-3)(9、1-4)(9、1-5)(9、1-6)(9、1-7)式(9、1-3)可知:移熱速率就是關于溫度T得一條直線。qTqrqg式(9、1-7)所表示得放熱速率關于溫度T就是一條“S”型得曲線。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,轉化率xN>xP>xM。在這三點中,M、N就是穩(wěn)定態(tài)得操作點,P點就是不穩(wěn)定得操作點。圖9-1全混流反應器得定態(tài)操作溫度？穩(wěn)定性:指反應器操作過程中受到外界干擾后得自衡能力。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。就是否qr>qg,T降低,移動到點M。qr<qg,T升高,移動到點N。就是qr<qg,T升高,回到點N。qr>qg,T降低,回到點N。所以,熱穩(wěn)定性得條件就是:（9.1-8）（9.1-9）qTqrqgMPNM、P、N點共同特性2、定態(tài)操作點得改變定態(tài)得操作點會隨著條件得改變而發(fā)生變化。TT0GAFBDET隨T0得變化曲線就是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點降溫注意:TT0GAFBDETDTA當進料溫度在TA~TD范圍內時,產生放熱反應多定態(tài)現(xiàn)象(吸熱反應只有一個定態(tài))。在F點附近操作時,很容易產生超溫現(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,很容易產生迅速降溫現(xiàn)象,造成反應終止。其她參數(shù)得改變,也可能造成定態(tài)操作點得改變,如:換熱介質溫度、進料流量得改變。9大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流9、2管式反應器得熱穩(wěn)定性管式反應器軸向返混程度很大較小全混流反應器熱穩(wěn)定性如前所述該擾動對上游影響很小,對下游得影響最終到達出口而“排出”。整個反應器又恢復到上游工況所決定得狀態(tài)。這類反應器不會造成整體得多態(tài)操作和不穩(wěn)定性,就是局部穩(wěn)定性問題。！??！對于具有良好壁面?zhèn)鳠岬霉苁椒磻?傳熱方式主要就是徑向,軸向傳熱可以忽略。9、2、1徑向傳熱管式反應器得熱量衡算根據二維擬均相模型:若不考慮軸向得熱量傳遞時,上式可簡化為:徑向得傳熱軸向得傳熱(9、2-1)(9、2-2)若動力學方程為: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)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,反應器得操作就是不穩(wěn)定得。?。?管式反應器熱穩(wěn)定性得條件就是:δ≤2、0(9、2-7)9、2、2管式反應器得允許最大溫度差和允許管徑管式反應器得熱穩(wěn)定條件就是:δ≤2、0當δ=2、0時,方程得解為:θmax=1、37(9、2-8)(9、2-9)管式反應器允許最大管直徑可由:δ=2、0求得。公式(9、2-9)和(9、2-11)就是管式反應器熱穩(wěn)定性條件限制得最大徑向溫差和最大床層直徑。(9、2-10)(9、2-11)這也解釋了反應器設計控制得條件。對于一些(－△Hr)和大得放熱反應,放熱強度Q大,及時取出反應熱極為重要。然而這類反應器往往用溫度較高得熱載體作為冷卻介質。實際上,這就是由(T-Tw)max所確定得。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。9、2、3管式反應器得熱點反應器軸向分布規(guī)律？？？根據一維擬均相理想流動模型,反應器得熱平衡方程為:壁面?zhèn)鳠岱磻艧岙敺磻艧岜诿鎮(zhèn)鳠?床層軸向無溫差當反應放熱壁面?zhèn)鳠?gt;床層軸向溫度升高當反應放熱壁面?zhèn)鳠?lt;床層軸向溫度降低1、反應器入口處反應物濃度得影響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、反應器入口處反應物濃度得影響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、反應器換熱介質溫度得影響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”管式反應器軸向熱點溫度分布情況分析！?。D9-3管式反應器軸向溫度分布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9、3反應器參數(shù)得敏感性9、3、1反應器得安全性！?。∶總€反應器得設計師和每個化工廠得操作人員都極為關心反應器得安全性。催化反應器發(fā)生事故可能由各種原因,常見得有以下幾種:機械式上造成得缺陷;催化劑再生時溫度過高超過額定值;再生式催化劑破碎;有危險得反應發(fā)生;過程控制問題。9、3、2反應器參數(shù)得靈敏性？反應器參