反應器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性

1、第九章Chapter 9反應器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性Thermal Stability & Parameter Sensitivity 連續(xù)流動反應器一般按定常態(tài)進行設(shè)計，即規(guī)定了進料流量、組成及溫度；反應器內(nèi)物料濃度、溫度、冷卻（加熱）介質(zhì)的溫度、流量不隨時間發(fā)生變化。 在實際生產(chǎn)過程中，這些參數(shù)不可能恒定不變。當出現(xiàn)某種干擾時，生產(chǎn)能否在最佳條件下操作？ 在前幾章中討論過，反應速率隨溫度呈非線性函數(shù)，而傳熱速率隨溫度呈線性關(guān)系。 因此，進料組成或溫度的任何波動，都可能引起反應放熱與所排出的熱量不相適應的情況，從而引起反應器內(nèi)操作狀態(tài)的變化。 外部干擾可能使反應器出現(xiàn)以下兩種情況：A、穩(wěn)定定

2、態(tài) 反應器本身熱穩(wěn)定性良好，外部干擾不會引起系統(tǒng)操作狀況大的變化，反應仍可在接近最佳狀態(tài)下運行。一旦干擾排除，則馬上又恢復到原定常態(tài)下運行。 B、不穩(wěn)定定態(tài) 微小干擾就足以使反應器操作狀態(tài)偏離原定狀態(tài)，即使擾動消除，系統(tǒng)也不能恢復到原來狀態(tài)。CSTR內(nèi)各參數(shù)均一，數(shù)學處理簡單。本章首先討論CSTR的熱穩(wěn)定性，再討論PFR的穩(wěn)定性及參數(shù)敏感性，并闡述熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性的一些基本概念。學習目的 了解熱穩(wěn)定性和反應器參數(shù)的靈敏性。重點與難點 全混流反應器和管式反應器的熱穩(wěn)定性。第一節(jié) 全混流反應器的熱穩(wěn)定性一、CSTR的熱量衡算過程焓變： 物系與環(huán)境交換的熱量為： 熱量衡算式： 二、全混流反應器的

3、定態(tài)定態(tài)下，CSTR的操作溫度及要達到的轉(zhuǎn)化率應滿足物料及熱量衡算式。 1級不可逆放熱： 使物料從溫度T0升高到操作溫度T所需的熱量+冷卻介質(zhì)帶走的熱量 左邊：移熱速率qr ：右邊：反應放熱速率： 圖解法： 分別以 對T作圖，圖中移熱速率為一直線，其斜率為： 而放熱速率為一S形曲線。 三個定態(tài)點除了溫度和轉(zhuǎn)化率不同外，其穩(wěn)定性（反應器操作受到外來干擾后的自衡能力）也有差別。 例如，進料溫度波動，會引起反應溫度波動，從而使反應器操作偏離原來的狀態(tài)。當進料溫度恢復正常后，如果反應溫度能恢復到原來的定態(tài)溫度，則稱為穩(wěn)定的定態(tài)點，如果不能，則稱為不穩(wěn)定的定態(tài)點。在圖中，對于穩(wěn)定定態(tài)點M及P，有：移熱線

4、斜率放熱線斜率，即： 定態(tài)操作的必要條件 隨著操作條件的改變，定態(tài)溫度也將改變。 定態(tài)溫度突然升高的點，稱為著火點； 定態(tài)溫度出現(xiàn)突降的點，稱為熄火點。著火與熄火現(xiàn)象對于反應器操作很重要，特別是開停工的時候。 定態(tài)點數(shù)目的多少，取決于化學反應的特征和反應器的操作條件，如進料溫度和流量，反應器與環(huán)境的換熱情況等。只有放熱反應才會出現(xiàn)多定態(tài)現(xiàn)象，而吸熱反應的定態(tài)總是唯一的。第二節(jié) 管式反應器的熱穩(wěn)定性（自學）流體在管式反應器內(nèi)作非理想流動，由于逆向擴散，產(chǎn)生返混現(xiàn)象。當軸向擴散系數(shù)很大時，反應器接近全混流反應器，有可能存在多重定態(tài)和熱穩(wěn)定性問題。 本節(jié)只討論軸向返混很小的管式反應器熱穩(wěn)定性問題。由

5、于返混很小，故該擾動對于反應器上游影響甚微；且會向下游方向移動，最終到達出口排出，排除后，反應器又恢復到原來由上游工況所決定的狀態(tài)。對于返混很小的管式反應器，當局部受到干擾時，必然會引起相應的溫度變化，該溫度變化將會影響反應器下游的工作狀態(tài)，最終波及反應器出口。這類反應器不會造成整體的多態(tài)操作和不穩(wěn)定性。 第三節(jié) 反應器參數(shù)的靈敏性一、反應器的安全性對于反應器的設(shè)計師或反應器的操作人員而言，都應十分關(guān)心反應器的安全性。對于多數(shù)反應器，都能按照其設(shè)計的操作方案平穩(wěn)地進行操作，而少數(shù)反應器，則存在操作失常狀態(tài)，嚴重的將引起致命的事故。因此反應器的設(shè)計師有責任檢驗和確保反應器平穩(wěn)安全地進行操作。催化

6、反應器發(fā)生事故的原因：1、機械制造上的缺陷 例如，焊縫的焊接不良等（焊接工人的失誤或管理不善、檢驗不嚴等原因）。這類事故往往沒有先兆，但是可以避免的。2、催化劑再生時溫度過高，超過額定值 對于器內(nèi)再生催化劑的反應器，應滿足：穩(wěn)定過程及催化劑再生階段的溫度和壓力記錄再生溫度：保證及時發(fā)現(xiàn)溫度過高，避免反應器在殼體強度降低的情況下返回正常操作；不在器內(nèi)再生：即反應器的設(shè)計可以只滿足穩(wěn)態(tài)操作過程即可。3、再生時催化劑破碎再生方法可能影響催化劑強度，使催化劑床層中出現(xiàn)粉塵。 在隨后的操作中，粉塵對于某些未知的放熱副反應會起催化作用，致使發(fā)生劇烈溫升，有時甚至導致反應器發(fā)生事故。改進再生的方法來預防粉塵

7、的生成；每次再生后將催化劑篩一下，將粉塵取出反應器。操作方法：4、有危險的反應有些催化反應，具有明顯的危險性，有的對溫度敏感，有的會產(chǎn)生有危險的副反應，有的甚至在沒有明顯誘因的情況下，也會發(fā)生爆炸。設(shè)計師：保證壓力容器的設(shè)計方面和制造方面，或者是再生方面的問題。為了安全，常常將反應器放在屏障或鋼筋混凝土墻的后面，反應器的操作和控制在遠距離處進行。爆炸的可能性導致保險費用提高，從而提高了化工產(chǎn)品的成本。 5、過程控制問題設(shè)計完善、制造精確的反應器也會由于過程控制不當而出現(xiàn)事故。在放熱反應中，某些參數(shù)：組分比例、熱交換條件等應嚴格控制，不然會大大超過額定值，使反應器出現(xiàn)故障。良好的模擬程序能夠準確

8、指出溫度超過額定值的可能性和動態(tài)過程控制中的薄弱環(huán)節(jié)，并防止出現(xiàn)控制問題。 建立模型還能揭示參數(shù)敏感性方面的問題。進行氣固相催化反應器設(shè)計時，應注意的地方：1、反應器設(shè)計時，要考慮安全裕度；2、設(shè)計合理的操作規(guī)范，嚴格操作程序。如催化劑再生時，溫度不能超過額定值、注意催化劑再生時破碎等情況、反應的危險性等；3、反應器嚴格按照設(shè)計進行制造、檢驗，堅決杜絕有缺陷的反應器投入使用等。二、反應器參數(shù)的靈敏性當反應系統(tǒng)一個參數(shù)的微小變化引起其他參數(shù)有重大變化時，這種現(xiàn)象稱為參數(shù)的靈敏性。 1、絕熱式反應器的參數(shù)敏感性 反應器各處狀態(tài)僅決定于進口條件。 假定：徑向溫度均一，采用一維擬均相模型：物料衡算：

9、熱量衡算： 1）進口溫度對床層參數(shù)的影響若進口溫度為T0，出口溫度為T，若進口溫度出現(xiàn)dT0的變化，則出口氣體溫度也將出現(xiàn)dT的變化，dT/dT0稱為溫度敏感度。靈敏性指數(shù)： 對于絕熱式固定床反應器，可根據(jù)工藝條件、操作特性及控制調(diào)節(jié)能力等，確定一個合理的靈敏度：進出口允許溫差 ：2）進口氣體濃度對床層參數(shù)的影響由于反應器的靈敏度決定了流體進、出口的溫差值，希望通過絕熱反應器獲得較高轉(zhuǎn)化率只能從降低絕熱溫升著手。 對于確定的反應過程，反應熱恒定，定壓熱容變化也不大，故最好的辦法是在原料氣中摻入惰性氣體（不參加反應的氣體），這樣，可降低反應物的濃度，從而降低絕熱溫升，達到提高反應轉(zhuǎn)化率的目的。工業(yè)上，常采用水蒸汽作為稀