当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

第九章 反应器的热稳定性与参数灵敏性


第九章
反应器的热稳定性与参数灵敏性

1

? 连续流动反应器一般按定常态设计,但 反应器的操作并不总是稳定的。流量、 浓度、温度等随时都在发生着变化。 ? 本章讨论一旦某些操作参数发生变化, 反应器是否还能在接近设计条件下操作; 这些参数的变化,是否影响了反应器的 安全运行。
2

全混流反应

器的热稳定性
? 由于全混流反应器参数均一,计算简单, 以此为例讨论反应器的热稳定性。
在定常态下以整个反应器进行热量衡算: ?物流携? ?物流携 ? ?反应器与环? ?反应器内反 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?积累量? ? ?入热量? ? ?出热量 ? ? ?境的热交换? ? ?应的热效应 ? ? ?0 ? ?V0 ?cpT1 ? ?V0 ?cpT2 ? ? KA?T2 ? TW ? ? ??? rA ??? ?H r ?VR ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 整理得: V0 ?cp ?T1-T2 ? ? KA?T2 ? TW ? ? ?? rA ??? ?H r ?VR ? 0
3

全混流反应器基本方程: VR xAf ? xA1 ? FA 0 ? rAf 当进口物流不含产物时,xA1 ? 0 FA0 xAf V0 cA 0 xAf ? rAf ? ? VR VR 代入热量衡算方程,得: V0 ?cp ?T1-T2 ? ? KA?T2 ? TW ? ? V0 cA 0 xAf ?? ?H r ? ? 0 V0 ??cp ?T1-T2 ? ? cA0 xAf ?? ?H r ?? ? KA?T2 ? TW ?
可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。
4

? 一级不可逆放热反应:
? rA ? kcA ? kcA 0 ?1 ? xA ? ? k0 e V0 cA0 xA ? k0e VR
? ?E ? ? ? ? RT ? ? ?E ? ? ? ? RT ?

cA 0 ?1 ? xA ?

代入全混流反应器基本方程且考虑xA1 ? 0: cA0 ?1 ? xA ? VR k0e V0
? ?E ? ? ? RT ? ? ? ?E ? ? ? ? RT ?

VR ? k0e

V0 xA
? ?E ? ? ? ? RT ?

?1 ? xA ?

? xA ?

VR 1? k0e V0

5

将x A ?

k0e

? ?E ? ? ? RT ? ?

代入V0 ?cp ?T1-T2 ? ? KA?T2 ? TW ? ? V0 cA0 xAf ?? ?H r ? ? 0 并移项整理: V0 ?cp ?T2-T1 ? ? KA?T2 ? TW ? ? VR cA0k0 e
? ?E ? ? ? RT ? ?

1 ? k0e

? VR ? ? ?E ? ? ? ? ? V0 RT ? ?

? ? ? ?

?? ?H r ?

1 ? k0e

? ?E ? ? ? RT ? ?

如果是放热反应,上式左侧为移热,右侧为产热。
6

左侧:移热速率:qr ? V0 ?cp ?T2-T1 ? ? KA?T2 ? TW ? qr ? ?V0 ?cp ? KA?T2 ? ?V0 ?cpT1 ? KATW ? VR cA0k0 e
? ?E ? ? ? RT ? ?

右侧:产热速率:qg ?

?? ?H r ?

1 ? k0e

? ?E ? ? ? RT ? ?

以操作温度T2为横坐标,分别对qr 和qg作图: 移热速率为一直线,放热速率非线性关系。

7

8

? 只有两条曲线的交点才满足方程。(即 左侧右侧相等) ? 两条曲线交于N、P、M三点。 ? 分别讨论: ? M点:产热速率和移热速率都低 ? P点:产热速率和移热速率中等 ? N点:产热速率和移热速率都高 ? 稳定性问题: ? 体系受到扰动后自行恢复的能力。
9

? 如果一个操作点在受到扰动后能自行恢 复,称为稳定操作点。否则称为不稳定 操作点。
? N点:当某一随机因素使温度升高到TE,此时, 移热速率大于产热速率,温度将下降;若温度 降低至TD,此时,产热速率大于移热速率,温 度将上升,最后稳定在TN。因此,N点是稳定 操作点。 ? 同理,M点也是稳定操作点。 ? 而P点正相反,温度升高时,产热速率大于移 热速率,温度下降时,移热速率大于产热速率, 受到扰动时,温度或者上升到N点,或者下降 到M点,因此,P点不是稳定操作点。
10

? 从数学上看,NM和P点的区别为:

dqr dq g dqr dqg NM点: ? 而P点 ? dt dt dt dt dqr dqg 因此, ? 为稳定操作点的必要条件。 dt dt

11

? 进料温度与 反应器操作 温度的关系
? 进料温度在 TA与TD之间, 存在两个稳 定操作点。

12

管式反应器的稳定性与参数灵敏性
? 热稳定性: ? 返混很小的管式反应器,任何一个局部 发生扰动,必然引起局部的温度变化, 而温度变化只会影响反应器的下游,不 会影响到反应器的上游。 ? 有良好壁面传热的管式反应器主要的传 热方向是径向,轴向传热可以忽略。稳 定性问题是由径向温度分布所引起。
13

? 通过拟均相二维模型讨论:
? ? 2T 1 ?T ? ? 2T ?T ?r ? ? ?r 2 ? r ?r ? ? ? ?l ?l 2 ? u?g cp ?l ? ?? RA ??1 ? ? B ??? ?H ? ? ?

? 仅考虑径向热量传递时可以简化为:
? d 2T 1 dT ? ?r ? ? dr 2 ? r dr ? ? ? ?? RA ??1 ? ? B ??? ?H ? ? ?

? 边界条件:

r ?0

dT ?0 dr

r?R

T ? Tw

? 推导目的:通过上式求出管式反应器热 稳定性条件和最大管径
14

? ?E ? ? ? RA ? ?f ?cAS ?k0 exp ? ?Let : ?RT? ? g ? T ? Tw r dr z? dz ? ?? 2 R R ? RgTw ? ? ? ? E ? ? ? 2 2 R T R T dT dT d? dT dT g w g w d? ? ? ? dr d? dr d? E dr E dr 2 R T dT g w d? dr ? Rdz ? dr RE dz 2 2 2 2 2 2 R T R T dT dT g w d ? g w d ? ? ? 2 2 2 2 dr E dr dr R E dz 2
15

? 将以上结果代入到简化了的方程中去:
2 2 2 ? RgTw ? R T d ? 1 g w d? ? ? ?? RA ??1 ? ? B ??? ?H ? ?r ? ? 2 2 ? R E dz ? Rz RE d z ? ? d 2? 1 d? R2E ?? RA ??1 ? ? B ??? ?H ? ? ? 2 2 dz z dz RgTw ?r

? ?E ? ? ?? RA ? ? ?f ?cAS ?k0 exp ? ?RT? ? g ? Let : ? ?E R2E ?1 ? ? B ??? ?H ??f ?cAS ?k0 exp ? ?? 2 ?RT RgTw ?r ? g w ? ? ? ?
16

? ?E ? ? exp ? ?RT? ? ?E d 2? 1 d? E g ? ? ? ? ?? ? ? exp ? 2 ?RT RT dz z dz ? ?E ? g g w ? ? ? exp ?RT ? ? g w? ? ? E ? 1 1 ?? d 2? 1 d? ? ? ? ? ? ? exp ? ? 2 ? R ? T T ?? dz z dz w ?? ? g ? ? ? E ? Tw ? T ? ? d 2? 1 d? ? ? ? ? ? ? ? exp ? R ? TT ? ? dz 2 z dz w ?? ? g ?
2 近似认为 : TTw ? Tw

? ? ? ?

17

?E d 2? 1 d? ? ? ? exp ? 2 ?R dz z dz ? g

? T ? Tw ? ? T2 ? w

?? ? ? ?? ??

d 2? 1 d? ? ? ? exp ?? ? 2 dz z dz 边界条件相应转变为: z?0 d? ? 0, dz z ?1

? ? 0即T=Tw

? 以上方程在δ>2时无有限解,说明当δ>2 时反应器的操作是不稳定的。
18

? 径向最大允许温度差: ? 基于δ=2,解得θ=1.37,意为在稳定的前 提下, θmax=1.37,即:
E ?? Rg ? T ? Tw ? ? T2 ? w ? T ? Tw ? ? ? ? R T 2 ? ? 1.37 ? ? g w? ? E ? ? ? 2 RgTw T-Tw ? 1.37 E

即:

19

? 床层最大直径:

令:Q ? ?? RA ??1 ? ? B ??? ?H ?
? ?E R2E ? ? ?? ? ? ? ?? 1 ? ? ? ? H ? f c k exp B AS 0 2 ?RT RgTw ?r ? g w Rmax EQ ?? ?2 2 RgTw ?r 因此: Rmax ?
2 2 RgTw ?r 2

? 为单位床层体积内放出的热量,称放热 强度。则:
? ? ? ?

EQ
20

? 讨论: ? 1 由床层最大允许温差条件,壁温不能太 低,否则允许温差太小。 ? 2 由最大床层直径条件,放热强度增加, 允许床层直径变小,但床层直径还受催 化剂颗粒直径和反应器压降限制,不能 过小,因此,在必要的情况下,有时对 催化剂活性进行限制。

21

反应器的热点和操作的安全性
? 反应器的轴向温度分布,对于放热反应, 可能存在热点。 ? 由一维拟均相平推流模型:
dT 4 ?? RA ??1 ? ? B ??? ?H ? ? ucp ?g +U ?T ? Tr ? dl di

? 如果反应放热与壁面传热相等,反应器 轴向将没有温度变化。
22

? 即dT/dl=0 ? 如果放热量大于移热量,则dT/dl>0,温 度沿轴向升高,反之温度下降。 ? 如果放热量急剧增大,而热量又不能迅 速移走时,将发生温度的失控,称飞温。 ? 飞温通常发生在: ? 1入口浓度急剧增高; ? 2入口温度急剧增高; ? 3冷剂流量变小; ? 4冷剂温度增高等。
23

24

? 飞温可能会造成严重事故-催化剂烧结, 燃烧,爆炸等。 ? 产生爆炸的原因: ? 1反应体积急剧膨胀造成压力猛增,超过 设备能够承受的压力; ? 2局部超温,使设备强度下降,在正常操 作压力下爆炸; ? 3超温造成设备应力增大; ? 4设备腐蚀造成局部强度下降等。
25

? ? ? ?

防止爆炸的措施: 1严格控制温度、压力、浓度等操作参数; 2超限报警,联锁停车,排放可燃物; 3安全阀,阻火器,防爆膜等。

26


相关文章:
A化学工程领域工程硕士专业课程内容简介63-72
反应器尺度的传热、宏观混合和微观混合、反应器的热稳定性和 参数灵敏性等,对...第九章介绍了其它化学过程的优化问题的求解方法。 3、系统综合:第十章介绍了...
化学反应工程教案20(化工13)-胡江良
化学反应工程教案20(化工13)-胡江良_理学_高等教育_教育专区。化学反应工程 ...第 9 章 反应器的热稳定性和参数灵敏性 9.3 反应器参数的灵敏性 教学目的、...
反应器分析2
反应器分析2_理学_高等教育_教育专区。第一套 题号:1 题型:单选题(请在以下...A、热稳定性 B、参数灵敏性 C、速度分布 D、粒度分布 标准答案:AB 题号:9...
反应器分析阶段练习三答案
列管式固定床反应器中存在 在线计算, 过程控制研究 等操作特性。 。 热稳定性,参数灵敏性 9. 列管式固定床反应器中的最小冷却介质温度与 10. 绝热式固定床...
2006反应工程本科课程简介
还涉及到反应器中热、质传递和 混合、反应器的热稳定性和参数灵敏性对反应结果...参考书: 1.《化学反应工程》 ,朱炳辰主编,化学工业出版社,2001 年,第三版,...
化学反应工程复习题
平行反应 27,自催化反应 8, 并列反应 28,参数灵敏性 9,装料系数 29,热稳定性 10,空间时间 30,飞温与熄火 11,空间速度 12,返混 13,寿命分布 14,年龄分布...
化学反应工程原理
(1)粒度实验 (2)测量表观反应速率 R (3)改善颗粒内传质的措施 9 热量传递与反应器的热稳定性值得注意的是, 参数灵敏性和热稳定性是两个不同的概念。热稳定...
化学反应工程
(九)反应器的热稳定性和参数灵敏性 1.基本内容:全混流、管式反应器的热稳定性及反应器参数的灵敏性。 2.重点和难点 (1)重点:全混流、管式反应器的热稳定...
化学反应工程 目录
混流反应器的热稳定性 第四节理想流动反应器的体积...连续换热外冷管式催化反应器的飞温及参数敏感性 三...循环流化床的工业应用 第九章气、液、固三相反应...
化学反应工程第3阶段测试题
全混流反应器热稳定性的必要条件为移热线斜率( 7 、当反应器系统一个参数的...4、中速反应气液反应器如何选择? 5、什么是反应器参数的灵敏性? 四、论述...
更多相关标签: