chap-9-反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性課件

9反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性

連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器一般按定常態(tài)設(shè)計(jì)。規(guī)定：入料量、入料組成、入料溫度、壓力等。特點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)各量均是位置函數(shù)，與時(shí)間無關(guān)。

反應(yīng)器的實(shí)際操作并不總是穩(wěn)定的。流量、濃度、溫度等隨時(shí)都在發(fā)生著變化。與一般加熱、冷卻或換熱過程不同，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)過程與傳熱過程相互關(guān)聯(lián)和相互影響。對(duì)放熱過程存在：反應(yīng)溫度上升反應(yīng)速度加快反應(yīng)移熱速率增大19反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器一般按定常態(tài)任何外來的擾動(dòng)都有可能引起反應(yīng)器操作狀態(tài)的變化反應(yīng)器設(shè)計(jì)應(yīng)在穩(wěn)定的定態(tài)下運(yùn)行（定態(tài)操作）

穩(wěn)定的定態(tài)：干擾去除后，系統(tǒng)恢復(fù)原狀

不穩(wěn)定的定態(tài)：干擾去除后，系統(tǒng)恢復(fù)不了原狀，偏離或嚴(yán)重偏離原先的操作狀態(tài)9.1熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性的概念平衡和穩(wěn)定

熱平衡放熱和移熱的速率相等，參數(shù)不隨時(shí)間變化

穩(wěn)定對(duì)外界擾動(dòng)的抵抗能力，擾動(dòng)消除，能恢復(fù)原狀一般，熱穩(wěn)定條件要比熱平衡條件苛刻得多！2任何外來的擾動(dòng)都有可能引起反應(yīng)器操作狀態(tài)的變化9.1熱穩(wěn)定

擾動(dòng)：對(duì)于定態(tài)操作的反應(yīng)器，器內(nèi)各處溫度均不隨時(shí)間而變化，但實(shí)際上相關(guān)參數(shù)均不能保持嚴(yán)格的恒定，總會(huì)有各種偶然的原因而引起波動(dòng)，這種波動(dòng)稱為擾動(dòng)。擾動(dòng)非人為調(diào)節(jié)，而是自然的波動(dòng)，如流量、進(jìn)口溫度、冷卻介質(zhì)溫度等參數(shù)的波動(dòng)

參數(shù)敏感性（靈敏性）：反應(yīng)器內(nèi)相關(guān)參數(shù)（流量、進(jìn)口溫度、冷卻溫度等）作微小調(diào)整時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的溫度（或反應(yīng)結(jié)果）將會(huì)多大變化。過高的參數(shù)敏感性將造成參數(shù)調(diào)節(jié)的過高的精度要求，使反應(yīng)器操作變得十分困難。3擾動(dòng)：對(duì)于定態(tài)操作的反應(yīng)器，器內(nèi)各處溫度均不隨時(shí)間而變化，9.2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(jì)算簡單，以此為例討論反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性49.2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，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。5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。5反應(yīng)器的定態(tài)一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)：6反應(yīng)器的定態(tài)67788

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9只有兩條曲線的交點(diǎn)才滿足方程。（即左側(cè)右側(cè)相等）分別討論N點(diǎn)：當(dāng)某一隨機(jī)因素使溫度升高到TE，此時(shí)，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(shí)，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)M點(diǎn)：同理，M點(diǎn)也是穩(wěn)定操作點(diǎn)P點(diǎn)：正相反，溫度升高時(shí)，產(chǎn)熱速率大于移熱速率，溫度下降時(shí)，移熱速率大于產(chǎn)熱速率，受到擾動(dòng)時(shí)，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)穩(wěn)定性討論：10N點(diǎn)：當(dāng)某一隨機(jī)因素使溫度升高到TE，此時(shí)，移熱速率大于產(chǎn)熱進(jìn)料溫度在TA與TD之間，存在兩個(gè)穩(wěn)定操作點(diǎn)著火點(diǎn)F、熄火點(diǎn)B、飛溫著火點(diǎn)附近，進(jìn)料溫度稍有改變－超溫熄火點(diǎn)附近，進(jìn)料溫度稍有改變－突然降溫/反應(yīng)終止11進(jìn)料溫度在TA與TD之間，存在兩個(gè)穩(wěn)定9.3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(gè)局部發(fā)生擾動(dòng)，必然引起局部的溫度變化，而溫度變化只會(huì)影響反應(yīng)器的下游，不會(huì)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129.3管式反應(yīng)器的穩(wěn)定性與參數(shù)靈敏性熱穩(wěn)定性：12通過擬均相二維模型討論：僅考慮徑向熱量傳遞時(shí)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13通過擬均相二維模型討論：131414將以上結(jié)果代入到簡化了的方程中去：15將以上結(jié)果代入到簡化了的方程中去：151616以上方程在δ>2時(shí)無有限解，說明當(dāng)δ>2時(shí)反應(yīng)器的操作是不穩(wěn)定的。1717徑向最大允許溫度差：基于δ=2，解得θ=1.37，意為在穩(wěn)定的前提下，θmax=1.37，即：18徑向最大允許溫度差：18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：19床層最大直徑：19討論：

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。

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(shí)對(duì)催化劑活性進(jìn)行限制。20討論：20反應(yīng)器的軸向溫度分布，對(duì)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。9.4反應(yīng)器的熱點(diǎn)和操作的安全性21反應(yīng)器的軸向溫度分布，對(duì)于放熱反應(yīng)，可能存在熱點(diǎn)。9.4反即dT/dl=0如果放熱量大于移熱量，則dT/dl>0，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(shí)，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冷劑流量變小；4冷劑溫度增高等。22即dT/dl=0222323飛溫可能會(huì)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：

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；

局部超溫，使設(shè)備強(qiáng)度下降，在正常操作壓力下爆炸；

超溫造成設(shè)備應(yīng)力增大；

設(shè)備腐蝕造成局部強(qiáng)度下降等。24飛溫可能會(huì)造成嚴(yán)重事故－催化劑燒結(jié)，燃燒，爆炸等。24防止爆炸的措施：

1嚴(yán)格控制溫度、壓力、濃度等操作參數(shù)；

2超限報(bào)警，聯(lián)鎖停車，排放可燃物；

3安全閥，阻火器，防爆膜等。25防止爆炸的措施：25催化反應(yīng)過程進(jìn)展

強(qiáng)制周期操作（改變進(jìn)料組成）

流向周期變換操作（