1、Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology第九章第九章 反应器热稳定性反应器热稳定性 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9 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n9.1 全混流反应器的热稳定性n9.2 管式反应器的热稳定性n9.3 反应器参数的灵敏性 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang连续流动反应器的设计 按定常态条件，即规定了进料流量、组成和温度；反应按定常态条件，即规定了进料流量、组成和温度；反应器内物料浓度、温度、冷却或加热介质的温度、流量不随时器内物料浓度、温度、冷却或
2、加热介质的温度、流量不随时间发生变化。间发生变化。实际生产过程中 上述诸参数不可能恒定不变，当出现某种干扰时，生产上述诸参数不可能恒定不变，当出现某种干扰时，生产能否在最佳或接近最佳条件下进行，是值得重视的问题。能否在最佳或接近最佳条件下进行，是值得重视的问题。外部的干扰造成稳定的定态稳定的定态：反应器本身的热稳定性良好，外部干扰不会造成系统操作状况大的变化，一旦干扰除去，反应又恢复到原来的定常态下操作。不稳定的定态不稳定的定态：微小的干扰，足以使反应器的操作状态偏离原来的定态，即使干扰消除，系统也不能恢复到原来的状态。石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.1 全混流反应器的
3、热稳定性全混流反应器的热稳定性9.1.1 全混流反应器的热量衡算全混流反应器为一敞开体系，对于定态操作，以进料温度T0为基准温度，由式（3.1-2)得热量衡算式为：bouturinQQQQQ（9.1-1）已知：0)()(000bCuRrArpoutpinQTTKAQVHrQTcVQTcVQ所以，热量衡算式为：（9.1-2）)()()(00TTKAVHrTTcVCRrApT0、T、TC分别为反应器进口、出口及冷却介质温度，K;物料平均密度，kg/m3;K总传热系数，J/m2.K;石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.1.2 全混流反应器的定态物料衡算式为：)(0ARAfArVx
4、F对于一级不可逆放热反应对于一级不可逆放热反应，式（9.1-2）可以分为移热速率和放热速率两部分：RrAgCprVHrqTTKATTcVq)()()(00放热速率：移热速率：又根据设计方程式：kkxAf1)exp(1)exp()(1)(000000RTEkRTEkHcVkkHcVqrArAg所以：（9.1-3）（9.1-4）（9.1-5）（9.1-6）（9.1-7）石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang式（9.1-3）可知：移热速率是关于温度T的一条直线。qTqrqg式（9.1-7）所表示的放热速率关于温度T是一条“S”型的曲线。MPN移热速率qr相交于点M、P、N。放热速率qg
5、和在M、P、N点处，由于qr=qg，所以称为定态操作点。在这三点处，温度TN TP TM，转化率xN xP xM。在这三点中，M、N 是稳定态的操作点，P点是不稳定的操作点。图9-1 全混流反应器的定态操作温度 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang？稳定性稳定性：指反应器操作过程中受到外界干扰后的自衡能力。1、点M、P、N自衡能力分析操作点热扰动？热稳定性特点T升高T降低MPNqr qg，T降低，回到点M。qr qg，T降低，移动到点M。qr qg，T升高，移动到点N。dTdqdTdqgrdTdqdTdqgr是qr qg，T降低，回到点N。所以，热稳定性的条件是：dTdqdTd
6、qqqgrgr （9.1-8）（9.1-9）qTqrqgMPNgrqq M、P、N点共同特性点共同特性 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang2、定态操作点的改变定态的操作点会随着条件的改变而发生变化。TT0GAFBDET随T0的变化曲线是GAFBDE如图9-2所示：在TC恒定时，将qr、qg按式（9.1-2）合并成：prApCcVRTEkRTEkHcVcVTTKATT0000000)exp(1()exp()()(进料T0温度变化路径特殊点特点从G点升温F点T陡升着火点FGAFDEB点T陡降熄火点BEDBAG从E点降温 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang注意注意
7、：TT0GAFBDETDTA 当进料温度在TA TD范围内时，产生放热反应放热反应多定态现象多定态现象（吸热反应（吸热反应只有一个定态）只有一个定态）。在F点附近操作时，很容易产生超温现象，造成烧毁催化剂，或燃烧爆炸等事故现象。在B点附近操作时，很容易产生迅速降温现象，造成反应终止。其它参数的改变，也可能造成定态操作点的改变，如：换热介质温度、进料流量的改变。石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.2 管式反应器的热稳定性管式反应器的热稳定性管式反应器轴向返混程度很大较小全混流反应器热稳定性如前所述该扰动对上游影响很小，对下游的影响最终到达出口而“排出”。整个反应器又恢复到上游
8、工况所决定的状态。这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性,是局部稳定性问题。！对于具有良好壁面传热的管式反应器，传热方式主传热方式主要是径向要是径向，轴向传热可以忽略轴向传热可以忽略。石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.2.1 径向传热管式反应器的热量衡算根据二维拟均相模型：)(1)(12222rBApLrHRLTcuLTrTrrT若不考虑轴向的热量传递时，上式可简化为：径向的传热轴向的传热)(1)(122rBArHrrTrrTWtTTdrdrdTr 2 0 0边值条件为：（9.2-1）（9.2-2）石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang若动力学方程为：)
9、exp()()(0RTEkcfRASA并将式中变量改用无因次量表示：ERTTTddrdZdrZWWtt2 2 2)1)()(exp()(4 022BrWASrWtHRTEcfkRTEd令（9.2-3）（9.2-4）则式（9.2-2）可化简为：)(exp122WWTTTTREdZdZdZd（9.2-5）石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang若作近似处理：2WWWWTTTTTTTexp122dZdZdZd可得：0 1 0 0ZdZdZ边值条件为：（9.2-6）微分方程（9.2-6）在2.0时得不到有限解，这表明在在2.0时，反应器的操作是不稳定的时，反应器的操作是不稳定的。！，管式反
10、应器热稳定性的条件是：！，管式反应器热稳定性的条件是：2.0（9.2-7）石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.2.2 管式反应器的允许最大温度差和允许管径管式反应器的热稳定条件是：2.0当=2.0时，方程的解为：max=1.37ERTTTERTTTERTTTWWWWWW2max2max237.1)(37.1)(最大允许误差为：所以因为（9.2-8）（9.2-9）石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang管式反应器允许最大管直径可由：=2.0求得。公式（9.2-9）和（9.2-11）是管式反应器热稳定性条件限制的最大径向温差和最大床层直径。212max,22max,
11、8 24 )(1)(QERTdQRTEdQRHQrWtrWtABr故。的热量，称为放热强度是单位床层体积内放出令（9.2-10）（9.2-11）石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang这也解释了反应器设计控制的条件。q 对于一些（Hr）和大的放热反应，放热强度Q大，及时取出反应热极为重要。然而这类反应器往往用温度较高的热载体作为冷却介质。实际上，这是由（T-Tw)max所确定的。q 由式（9.2-11）可知，催化剂活性大，放热强度Q大，要求床层直径减小，通常床层直径不小于20mm，因此，过大催化剂活性不仅没有好处，反而有害。石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.2
12、.3 管式反应器的热点反应器轴向分布规律？反应器轴向分布规律？根据一维拟均相理想流动模型，反应器的热平衡方程为：)(4)(1)(0wtpgrBATTDhdLdTcuHR壁面传热反应放热 当反应放热壁面传热=床层轴向无温差无温差 当反应放热壁面传热床层轴向温度升高升高 当反应放热壁面传热移热可能出现“热点”温度（如图9-3所示）甚至“飞温”2、反应器入口处反应物浓度的影响、反应器入口处反应物浓度的影响T（-RA）快放热移热可能出现“热点”温度（如图9-3所示）甚至“飞温”3、反应器换热介质温度的影响、反应器换热介质温度的影响TW放热移热（-RA）快可能出现“热点”温度（如图9-3所示）甚至“飞温
13、”管式反应器轴向热点温度分布情况分析！管式反应器轴向热点温度分布情况分析！石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang图9-3 管式反应器轴向温度分布cA1cA2cA3cA4cA5cA6cA1 cA2 cA3 cA4 cA5 cA6T轴向长度a 浓度对轴向温度分布的影响T1T2T3T4T5T6T1 T2 T3 T4 T5 T6T轴向长度b 温度对轴向温度分布的影响 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.3 反应器参数的敏感性反应器参数的敏感性9.3.1 反应器的安全性反应器的安全性！每个反应器的设计师和每个化工厂的操作人员都极为！每个反应器的设计师和每个化工厂的操作人
14、员都极为关心反应器的安全性。关心反应器的安全性。催化反应器发生事故可能由各种原因，常见的有以下几种：1.机械式上造成的缺陷；2.催化剂再生时温度过高超过额定值；3.再生式催化剂破碎；4.有危险的反应发生；5.过程控制问题。石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang9.3.2 反应器参数的灵敏性反应器参数的灵敏性？反应器参数的灵敏性！反应器参数的灵敏性！反应系统某参数微小 变 化其它参数其它参数重大变化重大变化例如：非等温非绝热固定床反应器，当冷却剂温度稍微提高，即造成床层热点温度有很大的提高。9.3.2.1 绝热式反应器的参数灵敏性由于绝热式固定床的“返混”很小，且与壁面之间无热量传
15、递，因此可忽略径向的温度差忽略径向的温度差。根据一维拟均相理想流动模型。物料衡算为：00)1)(ABAAcuRdLdx9.3-1 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang热量衡算为：gprBAcuHRdLdT0)(1)(两式相除得：称为绝热温升。ababgprAATTcHcdxdT)(0下面讨论进口温度、浓度的改变对过程的影响。1）进口温度对参数的影响系统T0T称为温度灵敏度。0dTdT+dT0+dT若反应动力学方程为：)()exp()(0AAcfRTEkr9.3-29.3-3 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigangTRTERTETTRTETTTRTERTE20000
16、000expexp )1(exp )11exp()exp(其中00000011111111110TTTTTTTTTTTT 又又为灵敏性指数，可得：若令TRTE20)exp()()exp(exp000TkRTEkk9.3-4 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang将式（9.3-4）带入热平衡方程，且将反应物浓度近似看成常数，可得积分解：LccfTkTeERTBAAab)1()()()1(0020对T0求导得：)1()(2)()1(2000 eTTdTTdeeERT由于20RTE0)(TT 很小很小 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigangEND THE CHAPTERThank you.
