1、1第九章反应器的热稳定性与参数灵敏性2 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。3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。00RrAW221p0RrAW22p01p0VHrTTKATTcVVHrTTKATcVTcV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4W2rAfA021p0rAf0A0W221p0
2、RAf0A0RAfA0Af1AAf1AAf0AR00TTKAHxcTTcVHxcVTTKATTcVVxcVVxFrxrxxFV：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可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。5 一级不可逆放热反应：RTERTERTERTERTEekVVekVVxxekxVVxcekVxcVxxcekxkckcr00R00RAA0A0RAA00RAA001AA0A0A0AAA111011：方程且考虑代入全混流反应器基本6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 RTERTERTERTEekHekcVTTKATTcVHxcV
3、TTKATTcVVVekekx0r0A0RW212p0rAfA00W221p00R00A1017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：gr20r0A0RgW1p02p0r212p0r1qqTekHekcVqKATTcVTKAcVqTTKATTcVqRTERTEW 89 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。10 如果一个操作点在受到扰动后能自行恢复，称
4、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。11 从数学上看，NM和P点的区别为：件。为稳定操作点的必要条因此，点而点：tqtqtqtqtqtqgddddddddPddddNMgrgrr12 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，
5、存在两个稳定操作点。13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。14 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HRlTculTrTrrTBApg22l22r11HRrTrrTBA22r1dd1ddw0dd0TTRrrTr15 2222wg22222wg222wg2wg2wg2wgwg0ASAd
6、dddddddddddddddddddddddddddexp:LetzERTRrTrETRrTzRETRrTzRrrETRrTETRTrTrTETRTTRrzRrzTREkcfR16 将以上结果代入到简化了的方程中去：wg0ASBr2wg2g0ASABAr2wg222BA2wg2222wgrexp1:Letexp1dd1dd1dd1ddTREkcfHTRERTREkcfRHRTRERzzzHRzRETRRzzERTR172wwwwg22wg22wggwgg22:expdd1dd11expdd1ddexpexpexpdd1ddTTTTTTTREzzzTTREzzzTRETRETRETREzzz近
7、似认为18 以上方程在2时无有限解，说明当2时反应器的操作是不稳定的。w222wwg2201,0dd0expdd1ddexpdd1ddTTzzzzzzTTTREzzz即边界条件相应转变为：19 径向最大允许温度差：基于=2，解得=1.37，意为在稳定的前提下，max=1.37，即：ETRTTETRTTTTTRE2wgw2wgw2wwg37.137.1即：20 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：HRQBA1令：EQTRRTREQRTREkcfHTRERr2wgmaxr2wg2maxwg0ASBr2wg222exp1因此：21 讨论：1 由床层最大允许温差条件，壁温不能太低
8、，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。22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：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。rgpBA4dd1TTdUlTucHRi23 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。2425 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。26 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。
