第九章---反应器的热稳定性和参数灵敏性

19反应器的热稳定性与参数灵敏性连续流动反应器一般按定常态设计。规定：入料量、入料组成、入料温度、压力等。特点：反应器内各量均是位置函数，与时间无关。反应器的实际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。与一般加热、冷却或换热过程不同，反应器内的反应过程与传热过程相互关联和相互影响。对放热过程存在：反应温度上升反应速度加快反应移热速率增大2任何外来的扰动都有可能引起反应器操作状态的变化反应器设计应在稳定的定态下运行（定态操作）稳定的定态：干扰去除后，系统恢复原状不稳定的定态：干扰去除后，系统恢复不了原状，偏离或严重偏离原先的操作状态9.1热稳定性和参数灵敏性的概念平衡和稳定热平衡放热和移热的速率相等，参数不随时间变化稳定对外界扰动的抵抗能力，扰动消除，能恢复原状一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！3扰动：对于定态操作的反应器，器内各处温度均不随时间而变化，但实际上相关参数均不能保持严格的恒定，总会有各种偶然的原因而引起波动，这种波动称为扰动。扰动非人为调节，而是自然的波动，如流量、进口温度、冷却介质温度等参数的波动参数敏感性（灵敏性）：反应器内相关参数（流量、进口温度、冷却温度等）作微小调整时，反应器内的温度（或反应结果）将会多大变化。过高的参数敏感性将造成参数调节的过高的精度要求，使反应器操作变得十分困难。49.2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()()()()()()()00221022010=∆−−+−−=∆−−+−−−RrAWpRrAWppVHrTTKATTcVVHrTTKATcVTcV－整理得：积累量应的热效应反应器内反境的热交换反应器与环出热量物流携入热量物流携器进行热量衡算：在定常态下以整个反应ρρρ5()()()()()()()WrAfAprAfAWpRAfARAfAAfAAfAAfARTTKAHxcTTcVHxcVTTKATTcVVxcVVxFrxrxxFV−=∆−+=∆−+−−==−=−−=2021000221000011000－－：代入热量衡算方程，得，当进口物流不含产物时：全混流反应器基本方程ρρ可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。6反应器的定态一级不可逆放热反应：()()()()0000000001000111011VVekekxxekxVVxcekVxcVxxcekxkckcrRRTERTEAARTEARAARTERAAAAARTEAAAA−−−−−+=⇒−=−==−=−==−：方程且考虑代入全混流反应器基本7()()()()()()热。左侧为移热，右侧为产如果是放热反应，上式－并移项整理：－代入将−−−−+∆−=−+=∆−+−−+=RTErRTEARWprAfAWpRRTERTEAekHekcVTTKATTcVHxcVTTKATTcVVVekekx0002120002210000101ρρ8()()()()()热速率非线性关系。移热速率为一直线，放作图：和为横坐标，分别对以操作温度右侧：产热速率：－左侧：移热速率：grRTErRTEARgWpprWprqqTekHekcVqKATTcVTKAcVqTTKATTcVq2000102021201−−+∆−=−++=−+=ρρρ9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10N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M点：同理，M点也是稳定操作点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点不是稳定操作点稳定性讨论：11件。为稳定操作点的必要条因此，点而点满足：、点的区别在于和、从数学上看，dTdqdTdqdTdqdTdqPdTdqdTdqMNPNMgrgrgr进料温度在TA与TD之间，存在两个稳定操作点着火点F、熄火点B、飞温着火点附近，进料温度稍有改变－超温熄火点附近，进料温度稍有改变－突然降温/反应终止129.3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：•仅考虑径向热量传递时可以简化为：•边界条件：•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()()()HRlTCulTrTrrTBApglr∆−−−=∂∂−∂∂+∂∂+∂∂ερλλ112222()()()HRdrdTrdrTdBAr∆−−−=+ελ1122wTTRrdrdTr====0014()2222222222222220exp:dzdERTRdrTddrdETRdrTddzdRETRdrdTRdzdrdrdETRdrdTETRddTdrdddTdrdTETRTTRdrdzRrzTREkCfRLetwgwgwgwgwgwgwgasAθθθθθθθθη=======−===−=−15•将以上结果代入到简化了的方程中去：()()()()()()()()()()()−∆−−=−=−∆−−−=+∆−−−=+wgASBrwggASABArwgBAwgwgrTREkCfHTRERLetTREkCfRHRTRERdzdzdzdHRdzdRETRRzdzdERTRexp1:exp11110220222222222ηελδηελθθεθθλ162222222:exp111exp1expexpexp1=−−=+−−=++−=−−=+近似认为δθθδθθδδθθ17•以上方程在δ2时无有限解，说明当δ2时反应器的操作是不稳定的。()＝即边界条件相应转变为：01,00exp1exp122222=====+−=+θθθδθθδθθ18•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：ETR371TT371ETRTTTTTRE2wgw2wgw2wwg..≤≤−=−=－即：θ19•床层最大直径：•为单位床层体积内放出的热量，称放热强度。则：()()()HRQBA∆−−−=ε1令：()()()EQTRRTREQRTREkCfHTRERrwgrwgwgASBrwgλλδηελδ2max22max02222exp1===−∆−−=因此：20讨论：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。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：•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。()()()()rigpBATTdUdldTuCHR−=∆−−−41＋ρε9.4反应器的热点和操作的安全性22•即dT/dl=0•如果放热量大于移热量，则dT/dl0，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。2324•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：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；局部超温，使设备强度下降，在正常操作压力下爆炸；超温造成设备应力增大；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催化反应过程进展强制周期操作（改变进料组成）流向周期变换操作（改变流体走向）循环流化床（始于1942年，颗粒非定态，而床内温度和浓度保持定态）催化－吸收耦联催化－吸附耦联催化－催化耦联（双功能催化剂、过程耦联）催化－蒸馏膜催化超临界化学反应※1※227反应器流向变换强制周期操作原理※128循环流化床※2-129循环流化床锅炉原理图※2-230循环流化床锅炉原理图※1