反應(yīng)工程課件第三章

任何化學(xué)反應(yīng)都有一定的熱效應(yīng)，因此有必要討論反應(yīng)器的傳熱問題，尤其當(dāng)反應(yīng)器放熱強(qiáng)度較大時，傳熱過程對化學(xué)反應(yīng)過程的影響，往往成為過程的關(guān)鍵因素。反應(yīng)過程中的熱量傳遞與傳質(zhì)一樣，也可按其尺度分為：設(shè)備尺度的熱量傳遞和顆粒尺度的熱量傳遞。

3.3.3

全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性

對放熱反應(yīng)過程，當(dāng)某些外界因素使得反應(yīng)溫度升高時，根據(jù)阿累尼烏斯公式可知反應(yīng)速率隨之加快。然而反應(yīng)速率的劇增，反應(yīng)放熱速率也愈大這就使反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升，因而就可能出現(xiàn)如下的惡性循環(huán)

反應(yīng)溫度上升反應(yīng)速率加快反應(yīng)放熱速率增大

1）熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性的概念如果一個反應(yīng)器是在某一平衡狀態(tài)下設(shè)計并進(jìn)行操作的，就傳熱而言，反應(yīng)器處于熱平衡狀態(tài)，即反應(yīng)的放熱速率應(yīng)該等于移熱速率。只要這個平衡不被破壞，反應(yīng)器內(nèi)各處溫度將不隨時間而變化，處于定態(tài)。但是，實際上各有關(guān)事數(shù)不可能嚴(yán)格保持在給定值，總會有各種偶然的原因而引起擾動。擾動表示為流量、進(jìn)口溫度、冷卻介質(zhì)溫度等有關(guān)參數(shù)的變動。如果某個短暫的擾動使反應(yīng)器內(nèi)的溫度產(chǎn)生微小的變化，產(chǎn)生兩種情況，一是反應(yīng)溫度會自動返回原來的平衡狀態(tài)，此時稱該反應(yīng)器是熱穩(wěn)定的，或是有自衡能力；另一種是該溫度將繼續(xù)上升直到另一個平衡狀態(tài)為止，則稱此反應(yīng)器是不穩(wěn)定的，或無自衡能力。二者雖然都是熱平衡的，但是一個是穩(wěn)定的，另一個是不穩(wěn)定的?？梢?，平衡和穩(wěn)定是兩個不同的概念。平衡不等于穩(wěn)定。平衡有兩種：穩(wěn)定的平衡和不穩(wěn)定的平衡。

一般來說，熱穩(wěn)定性條件要比熱平衡條件苛刻得多。熱平衡條件只要求放熱速率等于移熱速率，因此可以采用很大的傳熱溫差，以減少必需的傳熱面，從而簡化了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；而熱穩(wěn)定性條件則給傳熱溫蓋以限制，要求傳熱溫差小于某個規(guī)定值，因而增加了所需的傳熱面積，使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。熱穩(wěn)定性問題，嚴(yán)格地說屬于動態(tài)問題。

即使反應(yīng)器滿足熱穩(wěn)定性條件，仍然還有一個垂數(shù)靈敏性問題。參數(shù)靈敏性指的是各有關(guān)參數(shù)(流量、進(jìn)口溫度、冷卻溫度等)作做小的調(diào)整時，反應(yīng)器內(nèi)的溫度(或反應(yīng)結(jié)果)將會有多大變化。穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)所受到的短暫的擾動消失后，如果原定態(tài)點是穩(wěn)定的，將逐步恢復(fù)到原操作狀態(tài)。參數(shù)靈敏性問題，如果某操作參數(shù)的微小變化會引起操作狀態(tài)的很大變化，則為反應(yīng)器操作狀態(tài)對該參數(shù)靈敏，反之為不靈敏。

如果反應(yīng)器的參數(shù)靈敏性過高，那么對參數(shù)的調(diào)節(jié)就會有過高的精度要求，使反應(yīng)器的操作變得十分困難。因此，在反應(yīng)器的設(shè)計中，確定設(shè)備尺寸和工藝條件時必須設(shè)法避免過高的參數(shù)靈敏性。無論是熱穩(wěn)定性還是參數(shù)靈敏牲，兩者都給反應(yīng)器的設(shè)計增加了限制因素。如果不予重視，往往會使設(shè)計的反應(yīng)器無法操作。1）全混流反應(yīng)器的多態(tài)自熱過程：化工生產(chǎn)中的放熱過程，通常利用反應(yīng)熱加熱原料，以達(dá)到反應(yīng)所要求的溫度，這種過程稱為自熱過程。熱穩(wěn)定性：是指定態(tài)的抗干擾能力，當(dāng)外界條件有一個小的擾動時，能否仍然達(dá)到自熱要求。對反應(yīng)器的要求：能自熱平衡，維持反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時，能保持熱穩(wěn)定性。Vm/s33hht干擾（1）全混流反應(yīng)器的定態(tài)基本方程條件：一級不可逆反應(yīng)；反應(yīng)過程中體積不變A、放熱速率B、移熱速率（2）全混流反應(yīng)器的多態(tài)QR(QC)QCQRNPMTTMTPTNQR曲線與QC直線的交點處QR=QC放熱速率=移熱速率，達(dá)到了熱平衡，就是系統(tǒng)的操作點。并且這種交點隨操作參數(shù)不同有可能是多個，這種有多個交點的現(xiàn)象稱為反應(yīng)器的多態(tài)。M點：

當(dāng)有擾動使T略大于TM時(dT＞0)，移熱速率大于放熱速率，體系溫度下降，自動恢復(fù)到M點。當(dāng)有擾動使T略小于TM(dT＜0)時，移熱速率小于放熱速率，體系溫度上升，自動恢復(fù)到M點QQCQRNPMTTMTPTN多態(tài)操作點的特征QQrQGNPMTTMTPTNP點：當(dāng)有擾動使T略大于TP時(dT＞0),移熱速率小于放熱速率，體系繼續(xù)溫度上降，直至到N點。當(dāng)有擾動使T略小于TP時(dT＜0),

移熱速率大于放熱速率，體系溫度繼續(xù)下降，直至到M點。N點：

當(dāng)有擾動使T略大于TN時(dT＞0)，移熱速率大于放熱速率，體系溫度下降，自動恢復(fù)到N點。當(dāng)有擾動使T略小于TN(dT＜0)時，，移熱速率小于放熱速率，體系溫度上升，自動恢復(fù)到N點。QQCQRNPMTTMTPTNM、N點是穩(wěn)定的定態(tài)點，P點為不穩(wěn)定的定態(tài)點全混流反應(yīng)器有熱穩(wěn)定的操作點的條件：QQCQRNPMTTMTPTNQR=QC放熱速率=移熱速率放熱速率曲線的斜率﹤移熱速率直線的斜率M、N點都是穩(wěn)定的定態(tài)點實際操作中選哪一個？5

隨著操作條件的改變，定態(tài)溫度也隨之而變。圖3.15為進(jìn)料溫度T0與定態(tài)溫度T的關(guān)系示意圖。當(dāng)進(jìn)料溫度從T1慢慢地增加至T5時，定態(tài)溫度的變化如圖中曲線12489所示。注意的是曲線在點4處是不連續(xù)的，定態(tài)溫度突然增高，這一點稱為著火點；再繼續(xù)提高進(jìn)料溫度，定態(tài)溫度的升高再不出現(xiàn)突跳現(xiàn)象；若將進(jìn)料溫度逐漸降低，比如從9降至6，定態(tài)溫度則沿987621曲線下降。這條曲線也存在一個間斷點6，此處定態(tài)溫度出現(xiàn)突降，這點稱為熄火點。2）操作參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響

著火與熄火現(xiàn)象對于反應(yīng)器操作控制甚為重要，特別是開停工的時候。例如，若操作溫度系在著火點附近，進(jìn)料溫度稍有改變，便會產(chǎn)生超溫，從而破壞操作，可能出現(xiàn)燒壞催化劑或者可能產(chǎn)生爆炸等事故；在熄火點附近操作時，則易產(chǎn)生突然降溫以致反應(yīng)終止。為了使反應(yīng)器操作穩(wěn)定，應(yīng)使用盡可能大的傳熱面積，和盡可能小的傳熱溫差等。至于釜式反應(yīng)器，如果調(diào)節(jié)手段適當(dāng)，不一定非要在穩(wěn)定的定態(tài)下操作。3.4

理想流動反應(yīng)器的組合與比較3.4.1理想流動反應(yīng)器組合

連接方式：串聯(lián)、并聯(lián)反應(yīng)器類型：平推流、全混流串聯(lián)：前后順序共有七種組合討論：條件：（1）等溫（2）兩個等體積理想反應(yīng)器組合（3）一級不可逆反應(yīng)（4）V0,,，CA0相同問題：不同組合下，出口濃度如何？(a)為兩個全混流反應(yīng)器并聯(lián)，每只全混流反應(yīng)器出口濃度即為混合后的出口濃度

(b婆)為兩敘個全不混流全反應(yīng)碌器串以聯(lián)，豬第二但反應(yīng)憂器出崖口濃掛度為(c獵)為平睬推流機(jī)反應(yīng)鼻器與普全混蠻流反貼應(yīng)器餃串聯(lián)轟，第銹二反則應(yīng)器僵出口渴濃度貝為(d狀)為全愧混流凳反應(yīng)慨器與槽平推賓流反戴應(yīng)器鏡串聯(lián)阿，第琴二反獻(xiàn)應(yīng)器冊出口稈濃度黃為(e撤)為兩弊個平司推流屯反應(yīng)賣器并程聯(lián)。洲每只授平推盼流反鍵應(yīng)器折的出房誠口濃伸度即蓋為混選合后悠的出帥口濃噴度(f國)為兩襖只平荒推流膏反應(yīng)摧器串濕聯(lián)，課第二集平推勤流反壟應(yīng)器蛛出口聾濃度仇為(g踏)為平弄推流頭與全藏混流枯反應(yīng)挎器并妖聯(lián)結(jié)論(1駛)慈C與d等效與，平隔推流敢與全畏混流作反應(yīng)草器串例聯(lián)時乳，與證順序昌無關(guān)抄。（2）e與f等效最，兩掙個平嫁推流膝反應(yīng)航器串參聯(lián)和屢并聯(lián)渾時結(jié)各果相軍同，翅與連聾接方因式無位關(guān)。（3）CAf：a>貴b>膏c=幸d>貼e=疫f(4洪)xAf:f憑=e旅>d爽=c芽>b尊>a例題3-之4：等遼體積姜的平耕推流將與全伴混流牌反應(yīng)稍器串妥聯(lián)，診在等棋溫條役件下島進(jìn)行特二級既不可東逆反兇應(yīng)，企反應(yīng)液速率平推妹流與帳全混刺流反帽應(yīng)器竹的接搬觸時炊間均育為1m盡in趣,計算其最她終轉(zhuǎn)辮化率砌。討論領(lǐng)：對二槍級不容可逆應(yīng)反應(yīng)婚，兩名種組暗合最撥終轉(zhuǎn)默化率末不相密同，漸在本翻題條旺件下眾，平情推流精在前健優(yōu)于蒜全混游流在難前。3.社4.堆2理想氏流動珠反應(yīng)算器的朝體積飲比較如果卸在這捕些理泄想反士應(yīng)器否中進(jìn)淚行相賓同的脂反應(yīng)掌，采株用相砌同的亭進(jìn)料緒流量堤與進(jìn)苗料濃長度，吃反應(yīng)當(dāng)溫度五與最砌終反姥應(yīng)率熊也相尤同。構(gòu)這幾拿種反套應(yīng)器房誠所需晶的體擔(dān)積是譽否相妨同呢?(1扭)間歇回反應(yīng)處器與恒平推航流反飄應(yīng)器泊體積痰比較如果間歇跪反應(yīng)蒼器與沉平推番流反熊應(yīng)器際中進(jìn)行返相同鏟的反欲應(yīng)，狐采用恐相同別的進(jìn)證料流頭量與上進(jìn)料按濃度則，反勸應(yīng)溫彈度與奇最終災(zāi)反應(yīng)仙率也捆相同賞。則損兩者鏟的體探積是撓相同此的(未考捐慮間胸歇反齒應(yīng)器杜的輔滴助時初間)，這叨是因綱為它嶺們均迫不存貸在返瘋混。(2矩)全混件流反收應(yīng)器杰與平御推流拉反應(yīng)沉器體冠積比化較如果德全混戒流反斃應(yīng)器使與平溫推流提反應(yīng)畫器中磚進(jìn)行亮相同攜的反癥應(yīng)，歇采用菌相同礙的進(jìn)嘆料流話量與恨進(jìn)料觀濃度眨，反溜應(yīng)溫齊度與鄙最終責(zé)反應(yīng)幅率也昂相同根。則嘗由于江全混帝流反華應(yīng)器庸中存槳在返拍混。穿所以鳴反應(yīng)叮體積播要大諒一些止。設(shè)VRP與VRM分別青表示貢平推貧流與問全混軌流反鄉(xiāng)豐應(yīng)器熄的反俯應(yīng)體蛇積，追兩者勵之比當(dāng)V0、CA0、xAf相同撒時，夾全混彎流反伐應(yīng)器挪所需絮體積律大于絞平推降流反弄應(yīng)器伍的體羨積，梁這是龍由于易前者多存在腎返混姓造成傍的。討論（1）VRM大于VRP（2）(3聚)平推雙流反雖應(yīng)器恭與多侄級串銀聯(lián)全處混流線反應(yīng)擺器體改積比窯較多級撇全混止流反膀應(yīng)器廚串聯(lián)婦操作虜可以抽減小英返混趙，提異高推吵動力毛，縮裁小與平晴推流引反應(yīng)口器的昏體積售差別噸。A、對崖一級晉不可媽逆反草應(yīng)等體畫積的絨多級壯全混佩流反騎應(yīng)器深串聯(lián)更，設(shè)VRP與VRM分別秤表示史平推旺流與割多級稿串聯(lián)賺全混癥流反膀應(yīng)器巷的反敘應(yīng)體屠積，鄰兩者醫(yī)之比為B、對濾二級讓不可鎖逆反蚊應(yīng)對于爬多重舅反應(yīng)浮，反撲應(yīng)器件中的揚流動圍情況乏不僅京影響君反應(yīng)宗器的膨大小票，還愈要影搖響反勒應(yīng)的夾選擇泥率?？鋵び崢I(yè)反職應(yīng)過雁程，暫選擇樂性的洞要求誕比反轉(zhuǎn)應(yīng)器霧大小丘更重各要。3.百5多重必反應(yīng)外的選旱擇率3.蓋5.萌1平行絮反應(yīng)反應(yīng)螺物同辟時獨蕉立地蓄進(jìn)行伯兩個棄或兩震個以謀上的目反應(yīng)折稱為員平行辮反應(yīng)義?；どo(jì)產(chǎn)中突許多絞取代隨、加成成及腳分解摔反應(yīng)戒過程祖存在體著平漸行反芳應(yīng)。停典型鐮的平掏行反或應(yīng)可擠表示貴為AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12OR影響帶因素⑴選擇菊率的邊溫度公效應(yīng)⑵選擇臥率的幕濃度僵效應(yīng)⑶平行籌反應(yīng)嘩加料偽方式予的選垮擇A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))121）對世比速帝率AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))122）平夸行反無應(yīng)的代選擇幻玉率AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))123）反痛應(yīng)器逆的形龍式與織選擇民率的簡關(guān)系4）平算行反拔應(yīng)選帥擇率濾的影喊響因雀素AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12(1除)溫度溉效應(yīng)提高硬溫度摸對活陳化能芳高的刻反應(yīng)也有利降低何溫度辭對活蠅化能瓜低的卸反應(yīng)渾有利若E1>E2,則在后較高獻(xiàn)溫度叼下進(jìn)硬行若E1<E2,則在泉較低齊溫度耀下進(jìn)漢行若E1=E2,溫度膛變化汗對選截?fù)裥院鏌o影嗽響(2屆)濃度巷效應(yīng)若a1>a2,較高戲反應(yīng)泡物濃活度對店主反疼應(yīng)有腎利若a1<a2,較低扒反應(yīng)寬物濃倒度對鼠主反事應(yīng)有藝?yán)鬭1=a2,反應(yīng)燦物濃豬度對矮選擇肚性無青影響平推巷流反新應(yīng)器售，低奸的單滴程轉(zhuǎn)財化率全混撓流反咸應(yīng)器光，加鋤入稀黑釋劑毒；反牢應(yīng)后曲物料靠循環(huán)提高接濃度期對級筒數(shù)高班的反疏應(yīng)有蛛利降低撿濃度驢對級灣數(shù)低肆的反爺應(yīng)有鴉利A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))125)平行醋反應(yīng)誰提高架選擇歐率的擱方法間歇沒操作n1>n2,助m1>m2CA,番CB都高n1>n2,詢m1<m2CA高,匆CB低n1<n2,商m1<m2CA,延CB都低連續(xù)鈴流動聞操作n1>n2,波m1>m2CA,賊CB都高n1<n2,殖m1<m2CA,皇CB都低n1>n2,堅m1<m2CA高,社CB低思考免題：對平修行反敵應(yīng)A+充B→構(gòu)L（副揚反應(yīng)昏），A+藝B→警M（主替反應(yīng)霉），辨其中rL=k10ex懇p(史-究)CACB1.貓5rM=k20ex花p(童-祖)仇CA0.滾5CB2當(dāng)A的轉(zhuǎn)確化率XA一定惕時，預(yù)試分出析如鋒何提踢高主產(chǎn)物M的選處擇率尼。3.隸5.艘2連串哭反應(yīng)條件暮：（1）等賢溫（2）一徐級不酷可逆勤反應(yīng)（3）反萍應(yīng)過雜程無炸體積斗變化1）反巧應(yīng)速饅率連串竊反應(yīng)灶是指仿反應(yīng)陶主產(chǎn)非物能坑進(jìn)一客步反堂應(yīng)成桶其他口副產(chǎn)物鉤的過莫程，倉許多株鹵化陽、水耐解反沸應(yīng)都謊屬連海串反裂應(yīng)。2）濃懂度與攏時間聽的關(guān)漠系連串阻反應(yīng)愚的瞬銳時選碑擇率s可表不示為富：3)連串類反應(yīng)適的選角擇率4)連串隊反應(yīng)帳的溫打度效蹈