1、Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology第九章第九章 反應器熱穩定性反應器熱穩定性 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9 反應器的熱穩定性和參數靈敏性反應器的熱穩定性和參數靈敏性n9.1 全混流反應器的熱穩定性n9.2 管式反應器的熱穩定性n9.3 反應器參數的靈敏性 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang連續流動反應器的設計 按定常態條件，即規定了進料流量、組成和溫度；反應按定常態條件，即規定了進料流量、組成和溫度；反應器內物料濃度、溫度、冷卻或加熱介質的溫度、流量不隨時器內物料濃度、溫度、冷卻或

2、加熱介質的溫度、流量不隨時間發生變化。間發生變化。實際生產過程中 上述諸參數不可能恒定不變，當出現某種干擾時，生產上述諸參數不可能恒定不變，當出現某種干擾時，生產能否在最佳或接近最佳條件下進行，是值得重視的問題。能否在最佳或接近最佳條件下進行，是值得重視的問題。外部的干擾造成穩定的定態穩定的定態：反應器本身的熱穩定性良好，外部干擾不會造成系統操作狀況大的變化，一旦干擾除去，反應又恢復到原來的定常態下操作。不穩定的定態不穩定的定態：微小的干擾，足以使反應器的操作狀態偏離原來的定態，即使干擾消除，系統也不能恢復到原來的狀態。 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.1 全混流反應器

3、的熱穩定性全混流反應器的熱穩定性9.1.1 全混流反應器的熱量衡算全混流反應器為一敞開體系，對于定態操作，以進料溫度T0為基準溫度，由式（3.1-2)得熱量衡算式為：bouturinQQQQQ（9.1-1）已知：0)()(000bCuRrArpoutpinQTTKAQVHrQTcVQTcVQ所以，熱量衡算式為：（9.1-2）)()()(00TTKAVHrTTcVCRrApT0、T、TC分別為反應器進口、出口及冷卻介質溫度，K;物料平均密度，kg/m3;K總傳熱系數，J/m2.K; 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.1.2 全混流反應器的定態物料衡算式為：)(0ARAfAr

4、VxF對于一級不可逆放熱反應對于一級不可逆放熱反應，式（9.1-2）可以分為移熱速率和放熱速率兩部分：RrAgCprVHrqTTKATTcVq)()()(00放熱速率：移熱速率：又根據設計方程式：kkxAf1)exp(1)exp()(1)(000000RTEkRTEkHcVkkHcVqrArAg所以：（9.1-3）（9.1-4）（9.1-5）（9.1-6）（9.1-7） 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang式（9.1-3）可知：移熱速率是關于溫度T的一條直線。qTqrqg式（9.1-7）所表示的放熱速率關于溫度T是一條“S”型的曲線。MPN移熱速率qr相交于點M、P、N。放熱速

5、率qg和在M、P、N點處，由于qr= qg，所以稱為定態操作點。在這三點處，溫度TN TP TM，轉化率xN xP xM。在這三點中， M、N 是穩定態的操作點，P點是不穩定的操作點。圖9-1 全混流反應器的定態操作溫度 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang？穩定性？穩定性：指反應器操作過程中受到外界干擾后的自衡能力。1、點M、P、N自衡能力分析操作點熱擾動？熱穩定性特點T升高T降低MPNqr qg，T降低，回到點M。qr qg， T降低，移動到點M。qr qg， T升高，移動到點N。dTdqdTdqgrdTdqdTdqgr是qr qg，T降低，回到點N。所以，熱穩定性的條件是

6、：dTdqdTdqqqgrgr （9.1-8）（9.1-9）qTqrqgMPNgrqq M、P、N點共同特性點共同特性 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang2、定態操作點的改變定態的操作點會隨著條件的改變而發生變化。TT0GAFBDET隨T0的變化曲線是GAFBDE如圖9-2所示：在TC恒定時，將qr 、 qg按式（9.1-2）合并成：prApCcVRTEkRTEkHcVcVTTKATT0000000)exp(1 ()exp()()(進料T0溫度變化路徑特殊點特點從G點升溫F點T陡升著火點FGAFDEB點T陡降熄火點BEDBAG從E點降溫 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室

7、weigang注意注意：TT0GAFBDETDTA 當進料溫度在TA TD范圍內時，產生放熱反應放熱反應多定態現象多定態現象（吸熱反應（吸熱反應只有一個定態）只有一個定態）。 在F點附近操作時，很容易產生超溫現象，造成燒毀催化劑，或燃燒爆炸等事故現象。 在B點附近操作時，很容易產生迅速降溫現象，造成反應終止。其它參數的改變，也可能造成定態操作點的改變，如：換熱介質溫度、進料流量的改變。 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.2 管式反應器的熱穩定性管式反應器的熱穩定性管式反應器軸向返混程度全混流反應器熱穩定性如前所述該擾動對上游影響很小，對下游的影響最終到達出口而“排出”。整

8、個反應器又恢復到上游工況所決定的狀態。這類反應器不會造成整體的多態操作和不穩定性,是局部穩定性問題。！對于具有良好壁面傳熱的管式反應器，傳熱方式主傳熱方式主要是徑向要是徑向，軸向傳熱可以忽略軸向傳熱可以忽略。 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.2.1 徑向傳熱管式反應器的熱量衡算根據二維擬均相模型：)(1)(12222rBApLrHRLTcuLTrTrrT若不考慮軸向的熱量傳遞時，上式可簡化為：徑向的傳熱軸向的傳熱)(1)(122rBArHrrTrrTWtTTdrdrdTr 2 0 0邊值條件為：（9.2-1）（9.2-2） 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weig

9、ang若動力學方程為：)exp()()(0RTEkcfRASA并將式中變量改用無因次量表示：ERTTTddrdZdrZWWtt2 2 2)1)()(exp()(4 022BrWASrWtHRTEcfkRTEd令（9.2-3）（9.2-4）則式（9.2-2）可化簡為：)(exp122WWTTTTREdZdZdZd（9.2-5） 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang若作近似處理：2WWWWTTTTTTTexp122dZdZdZd可得：0 1 0 0ZdZdZ邊值條件為：（9.2-6）微分方程（9.2-6）在2.0時得不到有限解，這表明在在2.0時，反應器的操作是不穩定的時，反應器的

10、操作是不穩定的。！，管式反應器熱穩定性的條件是：！，管式反應器熱穩定性的條件是： 2.0（9.2-7） 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.2.2 管式反應器的允許最大溫度差和允許管徑管式反應器的熱穩定條件是： 2.0當 =2.0時，方程的解為：max=1.37ERTTTERTTTERTTTWWWWWW2max2max237.1)(37.1)( 最大允許誤差為：所以因為（9.2-8）（9.2-9） 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang管式反應器允許最大管直徑可由： =2.0求得。公式（9.2-9）和（9.2-11）是管式反應器熱穩定性條件限制的最大徑向溫差和

11、最大床層直徑。212max,22max,8 24 )(1)( QERTdQRTEdQRHQrWtrWtABr故。的熱量，稱為放熱強度是單位床層體積內放出令（9.2-10）（9.2-11） 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang這也解釋了反應器設計控制的條件。q 對于一些（Hr）和大的放熱反應，放熱強度Q大，及時取出反應熱極為重要。然而這類反應器往往用溫度較高的熱載體作為冷卻介質。實際上，這是由（T-Tw)max所確定的。q 由式（9.2-11）可知，催化劑活性大，放熱強度Q大，要求床層直徑減小，通常床層直徑不小于20mm，因此，過大催化劑活性不僅沒有好處，反而有害。 石油化學工程

12、系 化學工程與工藝教研室 weigang9.2.3 管式反應器的熱點反應器軸向分布規律？反應器軸向分布規律？根據一維擬均相理想流動模型，反應器的熱平衡方程為：)(4)(1)(0wtpgrBATTDhdLdTcuHR壁面傳熱反應放熱 當反應放熱壁面傳熱=床層軸向無溫差無溫差 當反應放熱壁面傳熱床層軸向溫度升高升高 當反應放熱壁面傳熱移熱可能出現“熱點”溫度（如圖9-3所示）甚至“飛溫”2、反應器入口處反應物濃度的影響、反應器入口處反應物濃度的影響T（-RA）快放熱移熱可能出現“熱點”溫度（如圖9-3所示）甚至“飛溫”3、反應器換熱介質溫度的影響、反應器換熱介質溫度的影響TW放熱移熱（-RA）快可

13、能出現“熱點”溫度（如圖9-3所示）甚至“飛溫”管式反應器軸向熱點溫度分布情況分析！管式反應器軸向熱點溫度分布情況分析！ 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang圖9-3 管式反應器軸向溫度分布cA1cA2cA3cA4cA5cA6cA1 cA2 cA3 cA4 cA5 cA6T軸向長度a 濃度對軸向溫度分布的影響T1T2T3T4T5T6T1 T2 T3 T4 T5 T6T軸向長度b 溫度對軸向溫度分布的影響 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.3 反應器參數的敏感性反應器參數的敏感性9.3.1 反應器的安全性反應器的安全性！每個反應器的設計師和每個化工廠的操作人

14、員都極為！每個反應器的設計師和每個化工廠的操作人員都極為關心反應器的安全性。關心反應器的安全性。催化反應器發生事故可能由各種原因，常見的有以下幾種：機械式上造成的缺陷；催化劑再生時溫度過高超過額定值；再生式催化劑破碎；有危險的反應發生；過程控制問題。 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang9.3.2 反應器參數的靈敏性反應器參數的靈敏性？反應器參數的靈敏性！？反應器參數的靈敏性！反應系統某參數微小 變 化其它參數其它參數重大變化重大變化例如：非等溫非絕熱固定床反應器，當冷卻劑溫度稍微提高，即造成床層熱點溫度有很大的提高。 絕熱式反應器的參數靈敏性由于絕熱式固定床的“

15、返混”很小，且與壁面之間無熱量傳遞，因此可忽略徑向的溫度差忽略徑向的溫度差。根據一維擬均相理想流動模型。物料衡算為：00)1)(ABAAcuRdLdx9.3-1 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigang熱量衡算為：gprBAcuHRdLdT0)(1)(兩式相除得：稱為絕熱溫升。ababgprAATTcHcdxdT)(0下面討論進口溫度、濃度的改變對過程的影響。1）進口溫度對參數的影響系統T0T稱為溫度靈敏度。0dTdT+dT0+dT若反應動力學方程為：)()exp()(0AAcfRTEkr9.3-29.3-3 石油化學工程系 化學工程與工藝教研室 weigangTRTERTETTRTETTTRTERTE20000000expexp )1 (exp )11exp()exp(其中00000011111111110TTTTTTTTTTTT 又又為靈敏性指數，可得：若令TRTE20)exp()()exp(exp000TkRTEkk9.3-4 石油化學工程系 化學