chap反应器的热稳定性和参数灵敏性.ppt

9 反应器的热稳定性与参数灵敏性 9.1 热稳定性和参数灵敏性的概念 9.2 全混流反应器的热稳定性 反应器的定态 一级不可逆放热反应： 9.3 管式反应器的稳定性与参数灵敏性 9.4 反应器的热点和操作的安全性 催化反应过程进展 * ?连续流动反应器一般按定常态设计。规定：入料量、入料组成、入料温度、压力等。特点：反应器内各量均是位置函数，与时间无关。 ?反应器的实际操作并不总是稳定的。流量、浓度、温度等随时都在发生着变化。与一般加热、冷却或换热过程不同，反应器内的反应过程与传热过程相互关联和相互影响。对放热过程存在： 反应温度上升 反应速度加快 反应移热速率增大 任何外来的扰动都有可能引起反应器操作状态的变化 反应器设计应在稳定的定态下运行（定态操作） ? 稳定的定态：干扰去除后，系统恢复原状 ?不稳定的定态：干扰去除后，系统恢复不了原状，偏离或严重偏离原先的操作状态 平衡和稳定 ?热平衡 放热和移热的速率相等，参数不随时间变化 ?稳定 对外界扰动的抵抗能力，扰动消除，能恢复原状 一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！ ?扰动：对于定态操作的反应器，器内各处温度均不随时间而变化，但实际上相关参数均不能保持严格的恒定，总会有各种偶然的原因而引起波动，这种波动称为扰动。 　　　扰动非人为调节，而是自然的波动，如流量、进口温度、冷却介质温度等参数的波动 ?参数敏感性（灵敏性）：反应器内相关参数（流量、进口温度、冷却温度等）作微小调整时，反应器内的温度（或反应结果）将会多大变化。 　　　过高的参数敏感性将造成参数调节的过高的精度要求，使反应器操作变得十分困难。 　　由于全混流反应器参数均一，计算简单，以此为例讨论反应器的热稳定性 可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。 ?只有两条曲线的交点才满足方程。（即左侧右侧相等） ?两条曲线交于N、P、M三点 ?分别讨论： M点：产热速率和移热速率都低 P点：产热速率和移热速率中等 N点：产热速率和移热速率都高 N点：当某一随机因素使温度升高到TE，此时，移热速率大于产热速率，温度将下降；若温度降低至TD，此时，产热速率大于移热速率，温度将上升，最后稳定在TN。因此，N点是稳定操作点 M点：同理，M点也是稳定操作点 P点：正相反，温度升高时，产热速率大于移热速率，温度下降时，移热速率大于产热速率，受到扰动时，温度或者上升到N点，或者下降到M点，因此，P点不是稳定操作点 稳定性讨论： 进料温度在TA与TD之间，存在两个稳定操作点 着火点F、熄火点B、飞温 着火点附近，进料温度稍有改变－超温 熄火点附近，进料温度稍有改变－突然降温/反应终止 热稳定性： ?返混很小的管式反应器，任何一个局部发生扰动，必然引起局部的温度变化，而温度变化只会影响反应器的下游，不会影响到反应器的上游 ?有良好壁面传热的管式反应器主要的传热方向是径向，轴向传热可以忽略。稳定性问题是由径向温度分布所引起 通过拟均相二维模型讨论： 仅考虑径向热量传递时可以简化为： 边界条件： 推导目的：通过上式求出管式反应器热稳定性条件和最大管径 将以上结果代入到简化了的方程中去： 以上方程在δ2时无有限解，说明当δ2时反应器的操作是不稳定的。 径向最大允许温度差： 基于δ=2，解得θ=1.37，意为在稳定的前提下， θmax=1.37，即： 床层最大直径： 为单位床层体积内放出的热量，称放热强度。则： 讨论： ? 由床层最大允许温差条件，壁温不能太低，否则允许温差太小。 ? 由最大床层直径条件，放热强度增加，允许床层直径变小，但床层直径还受催化剂颗粒直径和反应器压降限制，不能过小，因此，在必要的情况下，有时对催化剂活性进行限制。 反应器的轴向温度分布，对于放热反应，可能存在热点。 由一维拟均相平推流模型： 如果反应放热与壁面传热相等，反应器轴向将没有温度变化。 即dT/dl=0 如果放热量大于移热量，则dT/dl0，温度沿轴向升高，反之温度下降。 如果放热量急剧增大，而热量又不能迅速移走时，将发生温度的失控，称飞温。 飞温通常发生在： 1入口浓度急剧增高； 2入口温度急剧增高； 3冷剂流量变小； 4冷剂温度增高等。 飞温可能会造成严重事故－催化剂烧结，燃烧，爆炸等。 产生爆炸的原因： ?反应体积急剧膨胀造成压力猛增，超过设备能够承受的压力； ?局部超温，使设备强度下降，在正常操作压力下爆炸； ?超温造成设备应力增大； ?设备腐蚀造成局部强度下降等。 防止爆炸的措施： ? 1严格控制温度、压力、浓度等操作参数； ? 2超限报警，联锁停车，排放可燃物； ? 3安全阀，阻火器，防爆膜等。 *