第十章反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性(201205)

1、1第十章第十章 反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性與參反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性數(shù)靈敏性 本章討論內(nèi)容： 連續(xù)流動反應(yīng)器一般按定常態(tài)設(shè)計，但反應(yīng)器的操作并不總是穩(wěn)定的，一旦某些操作參數(shù)發(fā)生變化，反應(yīng)器是否在接近設(shè)計條件下操作；這些參數(shù)的變化，是否影響反應(yīng)器的安全運(yùn)行。重點(diǎn)講全混反應(yīng)器，不講管式反應(yīng)器29.1 全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性 由于全混流反應(yīng)器參數(shù)均一，計算簡單，以此為例討論反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性。 01022012200ppWArRpWArRVc TVc TKA TTrHVVcTTKA TTrHV 在定常態(tài)下以整個反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算：反應(yīng)器與環(huán)物流攜物流攜反應(yīng)器內(nèi)反積累量入熱量出熱量境的

2、熱交換應(yīng)的熱效應(yīng)整理得：3WrAfAprAfAWpRAfARAfAAfAAfAAfARTTKAHxcTTcVHxcVTTKATTcVVxcVVxFrxrxxFV2021000221000011000：代入熱量衡算方程，得，當(dāng)進(jìn)口物流不含產(chǎn)物時：全混流反應(yīng)器基本方程可以用來推算達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要補(bǔ)充或移走的熱量。4 反應(yīng)器的定態(tài) 一級不可逆放熱反應(yīng)： RTERRTERAARTEARAARTERAAAAARTEAAAAekVVekVVxxekxVVxcekVxcVxxcekxkckcr00000000001000111011：方程且考慮代入全混流反應(yīng)器基本5熱。左側(cè)為移熱，右側(cè)為產(chǎn)如果是放熱反應(yīng)

3、，上式并移項(xiàng)整理：代入將 RTErRTEARWprAfAWpRTERTEAekHekcVTTKATTcVHxcVTTKATTcVekekx0002120002210001016熱速率非線性關(guān)系。移熱速率為一直線，放作圖：和為橫坐標(biāo)，分別對以操作溫度右側(cè)：產(chǎn)熱速率：左側(cè)：移熱速率：gr2RTE0rRTE00ARgW1p02p0rW212p0rqqTek1HekcVqKATTcVTKAcVqTTKATTcVq 78 只有兩條曲線的交點(diǎn)才滿足方程。（即左側(cè)右側(cè)相等） 兩條曲線交于N、P、M三點(diǎn)。 分別討論： M點(diǎn)：產(chǎn)熱速率和移熱速率都低 P點(diǎn)：產(chǎn)熱速率和移熱速率中等 N點(diǎn)：產(chǎn)熱速率和移熱速率都高 穩(wěn)

4、定性問題穩(wěn)定性問題： 體系受到擾動后自行恢復(fù)的能力。9 如果一個操作點(diǎn)在受到擾動后能自行恢復(fù)，稱為穩(wěn)定操作點(diǎn)穩(wěn)定操作點(diǎn)。否則稱為不穩(wěn)定不穩(wěn)定操作點(diǎn)。操作點(diǎn)。 N點(diǎn)：當(dāng)某一隨機(jī)因素使溫度升高到TE，此時，移熱速率大于產(chǎn)熱速率，溫度將下降；若溫度降低至TD，此時，產(chǎn)熱速率大于移熱速率，溫度將上升，最后穩(wěn)定在TN。因此，N點(diǎn)是穩(wěn)定操作點(diǎn)。 同理，M點(diǎn)也是穩(wěn)定操作點(diǎn)。 而P點(diǎn)正相反，溫度升高時，產(chǎn)熱速率大于移熱速率，溫度下降時，移熱速率大于產(chǎn)熱速率，受到擾動時，溫度或者上升到N點(diǎn)，或者下降到M點(diǎn)，因此，P點(diǎn)不是穩(wěn)定操作點(diǎn)。10 從數(shù)學(xué)上看，NM和P點(diǎn)的區(qū)別為：件。為穩(wěn)定操作點(diǎn)的必要條因此，點(diǎn)而點(diǎn)：dt

5、dqdtdqdtdqdtdqPdtdqdtdqNMgrgrgr但不是充分條件11 進(jìn)料溫度與反應(yīng)器操作溫度的關(guān)系 進(jìn)料溫度在TA與TD之間，存在兩個穩(wěn)定操作點(diǎn)。129.2 管式反應(yīng)器的穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性 熱穩(wěn)定性： 返混很小的管式反應(yīng)器，任何一個局部發(fā)生擾動，必然引起局部的溫度變化，而溫度變化只會影響反應(yīng)器的下游，不會影響到反應(yīng)器的上游。 有良好壁面?zhèn)鳠岬墓苁椒磻?yīng)器主要的傳熱方向是徑向，軸向傳熱可以忽略。穩(wěn)定性問題是由徑向溫度分布所引起。13 通過擬均相二維模型討論： 僅考慮徑向熱量傳遞時可以簡化為： 邊界條件： 推導(dǎo)目的：通過上式求出管式反應(yīng)器熱穩(wěn)定性條件和最大管徑HRlTCulTrTrrT

6、BApglr112222HRdrdTrdrTdBAr1122wTTRrdrdTr0014 2222222222222220exp:dzdERTRdrTddrdETRdrTddzdRETRdrdTRdzdrdrdETRdrdTETRddTdrdddTdrdTETRTTRdrdzRrzTREkCfRLetwgwgwgwgwgwgwgasA15 將以上結(jié)果代入到簡化了的方程中去：wgASBrwggASABArwgBAwgwgrTREkCfHTRERLetTREkCfRHRTRERdzdzdzdHRdzdRETRRzdzdERTRexp1:exp11110220222222222162222222:e

7、xp111exp1expexpexp1wwwwgwgwggwggTTTTTTTREdzdzdzdTTREdzdzdzdTRETRETRETREdzdzdzd近似認(rèn)為17 以上方程在2時無有限解，說明當(dāng)2時反應(yīng)器的操作是不穩(wěn)定的。 wwwgTTzdzdzdzdzdzdTTTREdzdzdzd即邊界條件相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椋?1, 00exp1exp12222218 徑向最大允許溫度差： 基于=2，解得=1.37，意為在穩(wěn)定的前提下， max=1.37，即：ETR371TT371ETRTTTTTRE2wgw2wgw2wwg.即：19 床層最大直徑： 為單位床層體積內(nèi)放出的熱量，稱放熱強(qiáng)度。則：HRQBA1令

8、：EQTRRTREQRTREkCfHTRERrwgrwgwgASBrwg2max22max02222exp1因此：20 討論： 1 由床層最大允許溫差條件，壁溫不能太低，否則允許溫差太小。 2 由最大床層直徑條件，放熱強(qiáng)度增加，允許床層直徑變小，但床層直徑還受催化劑顆粒直徑和反應(yīng)器壓降限制，不能過小，因此，在必要的情況下，有時對催化劑活性進(jìn)行限制。219.3 反應(yīng)器熱點(diǎn)和操作安全性 反應(yīng)器的軸向溫度分布，對于放熱反應(yīng)，可能存在熱點(diǎn)。 由一維擬均相平推流模型： 如果反應(yīng)放熱與壁面?zhèn)鳠嵯嗟?，反?yīng)器軸向?qū)]有溫度變化。rigpBATTdUdldTuCHR4122 即dT/dl=0 如果放熱量大于移熱量，則dT/dl0，溫度沿軸向升高，反之溫度下降。 如果放熱量急劇增大，而熱量又不能迅速移走時，將發(fā)生溫度的失控，稱飛溫。 飛溫通常發(fā)生在： 1入口濃度急劇增高； 2入口溫度急劇增高； 3冷劑流量變??； 4冷劑溫度增高等。2324 飛溫可能會造成嚴(yán)重事故催化劑燒結(jié)，燃燒，爆炸等。 產(chǎn)生爆炸的原因： 1 反應(yīng)體積急劇膨脹造成壓力猛增，超過設(shè)備能夠承受的壓力； 2局部超溫，使設(shè)備