1、第九章第九章反应器的热稳定性和参数灵敏性反应器的热稳定性和参数灵敏性 连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进料流量、组成及温度；反应器内物料浓度、温度、冷料流量、组成及温度；反应器内物料浓度、温度、冷却（加热）介质的温度、流量不随时间发生变化。却（加热）介质的温度、流量不随时间发生变化。 在实际生产过程中，这些参数不可能恒定不变。在实际生产过程中，这些参数不可能恒定不变。当出现某种干扰时，生产能否在最佳条件下操作？当出现某种干扰时，生产能否在最佳条件下操作？ 在前几章中讨论过，反应速率随温度呈非线性函数，在前几章中讨论过，反应速率随温度呈非
2、线性函数，而传热速率随温度呈线性关系。而传热速率随温度呈线性关系。 因此，进料组成或温度的任何波动，都可能引起反应因此，进料组成或温度的任何波动，都可能引起反应放热与所排出的热量不相适应的情况，从而引起反应放热与所排出的热量不相适应的情况，从而引起反应器内操作状态的变化。器内操作状态的变化。 外部干扰外部干扰可能使反应器出现以下两种情况：可能使反应器出现以下两种情况：A、稳定定态、稳定定态 反应器本身热稳定性良好，外部干扰不会引起系统操反应器本身热稳定性良好，外部干扰不会引起系统操作状况大的变化，反应仍可在接近最佳状态下运行。作状况大的变化，反应仍可在接近最佳状态下运行。一旦干扰排除，则马上又
3、恢复到原定常态下运行。一旦干扰排除，则马上又恢复到原定常态下运行。 B、不稳定定态、不稳定定态 微小干扰就足以使反应器操作状态偏离原定状态，即微小干扰就足以使反应器操作状态偏离原定状态，即使扰动消除，系统也不能恢复到原来状态。使扰动消除，系统也不能恢复到原来状态。CSTR内各参数均一，数学处理简单。内各参数均一，数学处理简单。本章首先讨论本章首先讨论CSTR的热稳定性，再讨论的热稳定性，再讨论PFR的稳定的稳定性及参数敏感性，并阐述热稳定性和参数灵敏性的性及参数敏感性，并阐述热稳定性和参数灵敏性的一些基本概念。一些基本概念。学习目的学习目的 了解热稳定性和反应器参数的灵敏性。了解热稳定性和反应
4、器参数的灵敏性。重点与难点重点与难点 全混流反应器和管式反应器的热稳定性全混流反应器和管式反应器的热稳定性。第一节第一节 全混流反应器的热稳定性全混流反应器的热稳定性一、一、CSTR的热量衡算的热量衡算RATrpiVrHTTcVH)()()(000过程焓变：过程焓变： 物系与环境交换的热量为：物系与环境交换的热量为： )(TTUAqCh热量衡算式：热量衡算式： )()()()(000TTUAVrHTTcVChRATrpi)()()(0000TTUAxcHTTcVChAATrpi二、全混流反应器的定态二、全混流反应器的定态定态下，定态下，CSTR的操作温度及要达到的转化率应满足的操作温度及要达到
5、的转化率应满足物料及热量衡算式。物料及热量衡算式。 1级不可逆放热：级不可逆放热： )exp(1)exp()1)(exp()1 ()exp()exp(0000000RTEkRTEkxxRTEkxVVxcRTEkcRTEkrAAARAAAA)exp(1)exp()()()(000000RTEkVcRTEkHTTUATTcVRATrChpi使物料从温度使物料从温度T0升高到操作温度升高到操作温度T所需的热量所需的热量+冷却介质带走的热量冷却介质带走的热量 左边：移热速率左边：移热速率qr ：右边：反应放热速率：右边：反应放热速率： )exp(1)exp()(0000RTEkVcRTEkHqRATr
6、g)exp(1)exp()()()(000000RTEkVcRTEkHTTUATTcVRATrChpi图解法：图解法： 分别以分别以 对对T作图，作图，图中移热速率为一直线，图中移热速率为一直线，其斜率为：其斜率为： grqq ,hptUAcV0而放热速率为一而放热速率为一S形曲线。形曲线。 三个定态点除了温度和转化率不同外，其三个定态点除了温度和转化率不同外，其稳定性稳定性（反应器操作受到外来干扰后的自衡能力）（反应器操作受到外来干扰后的自衡能力）也有差别。也有差别。 例如，进料温度波动，会引起反应温度波动，从而使例如，进料温度波动，会引起反应温度波动，从而使反应器操作偏离原来的状态。当进料
7、温度恢复正常后，反应器操作偏离原来的状态。当进料温度恢复正常后，如果反应温度能恢复到原来的定态温度，则称为如果反应温度能恢复到原来的定态温度，则称为稳定稳定的定态点的定态点，如果不能，则称为，如果不能，则称为不稳定的定态点不稳定的定态点。在图中，对于稳定定态点在图中，对于稳定定态点M及及P，有：，有：移热线斜率移热线斜率放热线斜率，即：放热线斜率，即： dTdqdTdqgr定态操作的必要条件定态操作的必要条件 随着操作条件的改变，定态温度也将改变。随着操作条件的改变，定态温度也将改变。 定态温度突然升高的点，称定态温度突然升高的点，称为为着火点着火点； 定态温度出现突降的点，称定态温度出现突降
8、的点，称为为熄火点熄火点。着火与熄火现象对于反应着火与熄火现象对于反应器操作很重要，特别是开器操作很重要，特别是开停工的时候。停工的时候。 n定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和反应器的操作条件，如进料温度和流量，反应反应器的操作条件，如进料温度和流量，反应器与环境的换热情况等。器与环境的换热情况等。n只有只有放热反应放热反应才会出现多定态现象，而吸热反才会出现多定态现象，而吸热反应的定态总是唯一的。应的定态总是唯一的。第二节第二节 管式反应器的热稳定性管式反应器的热稳定性（自学）（自学）流体在管式反应器内作非理想流动，由于逆向扩散，流体在管式反应器
9、内作非理想流动，由于逆向扩散，产生返混现象。产生返混现象。当轴向扩散系数很大时，反应器接近全混流反应器，当轴向扩散系数很大时，反应器接近全混流反应器，有可能存在多重定态和热稳定性问题。有可能存在多重定态和热稳定性问题。 本节只讨论轴向返混很小的管式反应器热稳定性问题。本节只讨论轴向返混很小的管式反应器热稳定性问题。由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且会向下游方向移动，最终到达出口排出，排除后，反应会向下游方向移动，最终到达出口排出，排除后，反应器又恢复到原来由上游工况所决定的状态。器又恢复到原来由上游工况所决定的状态。对于返混很小的管
10、式反应器，当局部受到干扰时，必然对于返混很小的管式反应器，当局部受到干扰时，必然会引起相应的温度变化，该温度变化将会影响反应器下会引起相应的温度变化，该温度变化将会影响反应器下游的工作状态，最终波及反应器出口。游的工作状态，最终波及反应器出口。这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性。这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性。 第三节第三节 反应器参数的灵敏性反应器参数的灵敏性一、反应器的安全性一、反应器的安全性对于反应器的设计师或反应器的操作人员而言，都应对于反应器的设计师或反应器的操作人员而言，都应十分关心反应器的安全性。对于多数反应器，都能按十分关心反应器的安全性。对于多数反应器，都
11、能按照其设计的操作方案平稳地进行操作，而少数反应器，照其设计的操作方案平稳地进行操作，而少数反应器，则存在操作失常状态，严重的将引起致命的事故。因则存在操作失常状态，严重的将引起致命的事故。因此反应器的设计师有责任检验和确保反应器平稳安全此反应器的设计师有责任检验和确保反应器平稳安全地进行操作。地进行操作。催化反应器发生事故的原因：催化反应器发生事故的原因：1、机械制造上的缺陷、机械制造上的缺陷 例如，焊缝的焊接不良等例如，焊缝的焊接不良等（焊接工人的失误或管理不善、检验不严等原因）。（焊接工人的失误或管理不善、检验不严等原因）。这类事故往往没有先兆，但是可以避免的。这类事故往往没有先兆，但是
12、可以避免的。2、催化剂再生时温度过高，超过额定值、催化剂再生时温度过高，超过额定值 对于器内再生催化剂的反应器，应满足：对于器内再生催化剂的反应器，应满足：稳定过程及催化剂再生阶段的温度和压力稳定过程及催化剂再生阶段的温度和压力记录再生温度：记录再生温度：保证及时发现温度过高，避免反应器保证及时发现温度过高，避免反应器在壳体强度降低的情况下返回正常操作；在壳体强度降低的情况下返回正常操作；不在器内再生：不在器内再生：即反应器的设计可以只满足稳态操即反应器的设计可以只满足稳态操作过程即可。作过程即可。3、再生时催化剂破碎、再生时催化剂破碎再生方法可能影响催化剂强度，使催化剂床层中出现粉尘。再生方
13、法可能影响催化剂强度，使催化剂床层中出现粉尘。 在随后的操作中，粉尘对于某些未知的放热副反应在随后的操作中，粉尘对于某些未知的放热副反应会起催化作用，致使发生剧烈温升，有时甚至导致会起催化作用，致使发生剧烈温升，有时甚至导致反应器发生事故。反应器发生事故。改进再生的方法来预防粉尘的生成；改进再生的方法来预防粉尘的生成；每次再生后将催化剂筛一下，将粉尘取出反应器。每次再生后将催化剂筛一下，将粉尘取出反应器。操作方法：操作方法：4、有危险的反应、有危险的反应有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏感，有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏感，有的会产生有危险的副反应，有的甚至在没有明显诱
14、有的会产生有危险的副反应，有的甚至在没有明显诱因的情况下，也会发生爆炸。因的情况下，也会发生爆炸。设计师：设计师：保证压力容器的设计方面和制造方面，或者保证压力容器的设计方面和制造方面，或者是再生方面的问题。是再生方面的问题。为了安全，常常将反应器放在屏障或钢筋混凝土墙的为了安全，常常将反应器放在屏障或钢筋混凝土墙的后面，反应器的操作和控制在远距离处进行。后面，反应器的操作和控制在远距离处进行。爆炸的可能性导致保险费用提高，从而提高了化工产品爆炸的可能性导致保险费用提高，从而提高了化工产品的成本。的成本。 5、过程控制问题、过程控制问题设计完善、制造精确的反应器也会由于过程控制不当而设计完善、
15、制造精确的反应器也会由于过程控制不当而出现事故。出现事故。在在放热反应放热反应中，某些参数：组分比例、热交换条件等应中，某些参数：组分比例、热交换条件等应严格控制，不然会大大超过额定值，使反应器出现故障。严格控制，不然会大大超过额定值，使反应器出现故障。良好的模拟程序能够准确指出温度超过额定值的可能性良好的模拟程序能够准确指出温度超过额定值的可能性和动态过程控制中的薄弱环节，并防止出现控制问题。和动态过程控制中的薄弱环节，并防止出现控制问题。 建立模型还能揭示参数敏感性方面的问题。建立模型还能揭示参数敏感性方面的问题。进行气固相催化反应器设计时，应注意的地方：进行气固相催化反应器设计时，应注意
16、的地方：1、反应器设计时，要考虑安全裕度；反应器设计时，要考虑安全裕度；2、设计合理的操作规范，严格操作程序。设计合理的操作规范，严格操作程序。如催化剂再生时，温度不能超过额定值、注意如催化剂再生时，温度不能超过额定值、注意催化剂再生时破碎等情况、反应的危险性等；催化剂再生时破碎等情况、反应的危险性等；3、反应器严格按照设计进行制造、检验，坚决反应器严格按照设计进行制造、检验，坚决杜绝有缺陷的反应器投入使用等。杜绝有缺陷的反应器投入使用等。二、反应器参数的灵敏性二、反应器参数的灵敏性当反应系统一个参数的微小变化引起其他参数有重大当反应系统一个参数的微小变化引起其他参数有重大变化时，这种现象称为
17、变化时，这种现象称为参数的灵敏性参数的灵敏性。 1、绝热式反应器的参数敏感性、绝热式反应器的参数敏感性 反应器各处状态仅决定于进口条件。反应器各处状态仅决定于进口条件。 假定：径向温度均一，采用一维拟均相模型：假定：径向温度均一，采用一维拟均相模型：物料衡算：物料衡算： 00)1)(ABAAcuRdLdx热量衡算：热量衡算： )()(1 (0rgpABHcuRdLdTabpgArATccHdxdT0)(1）进口温度对床层参数的影响）进口温度对床层参数的影响若进口温度为若进口温度为T0，出口温度为，出口温度为T，若进口温度出现，若进口温度出现dT0的变化，的变化，则出口气体温度也将出现则出口气体
18、温度也将出现dT的变化，的变化，dT/dT0称为称为温度敏感度温度敏感度。)()exp(0AAcfRTEkr)exp()exp()1 (exp)11exp()exp(20000000TRTERTETTRTETTTRTERTETRTE20灵敏性指数：灵敏性指数： )exp()()exp()exp(000TkRTEkkedTdTedTTd001)(对于绝热式固定床反应器，可根据工艺条件、操作特性对于绝热式固定床反应器，可根据工艺条件、操作特性及控制调节能力等，确定一个合理的灵敏度：及控制调节能力等，确定一个合理的灵敏度：0200lndTdTERTTT进出口允许温差进出口允许温差 ：2）进口气体浓度
19、对床层参数的影响）进口气体浓度对床层参数的影响00)()(ArpgabApgArabAcHTcTTxccHTdxdT由于反应器的灵敏度决定了流体进、出口的温差值，由于反应器的灵敏度决定了流体进、出口的温差值，希望通过绝热反应器获得较高转化率只能从希望通过绝热反应器获得较高转化率只能从降低绝热温降低绝热温升升着手。着手。 对于确定的反应过程，反应热恒定，定压热容变化也不对于确定的反应过程，反应热恒定，定压热容变化也不大，故大，故最好的办法是在原料气中掺入惰性气体（不参加最好的办法是在原料气中掺入惰性气体（不参加反应的气体反应的气体），这样，可降低反应物的浓度，从而降低），这样，可降低反应物的浓度
20、，从而降低绝热温升，达到提高反应转化率的目的。绝热温升，达到提高反应转化率的目的。工业上，常采用水蒸汽作为稀释剂，出口气体经冷却工业上，常采用水蒸汽作为稀释剂，出口气体经冷却冷凝便可除去水分。冷凝便可除去水分。00)()(ArpgabApgArabAcHTcTTxccHTdxdT2、非恒温非绝热反应器的灵敏性、非恒温非绝热反应器的灵敏性（自学）（自学）基本概念基本概念:稳定定态点、不稳定定态点、稳态操作的必要条件、着稳定定态点、不稳定定态点、稳态操作的必要条件、着火点、熄火点、火点、熄火点、气固相催化反应器设计的时候应注意的地方、气固相催化反应器设计的时候应注意的地方、反应器参数灵敏性（进口温度、进口浓度）反应器参数灵敏性（进口温度、进口浓度）小小 结结化学反应工程化学反应工程这门课程全部结束！这门课程全部结束！谢谢大家！谢谢大家！Email:
