第五章化工工艺的热安全2016

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时间
反应完全失控需 要的时间





不考

虑二

次反

应的

绝热

温升

17:05
5.3 失控反应
※全混流反应器 ※零级反应——与浓度无关
q
反应放热速率可表示为
E
Qrx k0e RTV Hr
移热速率可表示为
Qex KA(T Tc )
具有热自衡能力的条件为 dQrx dQ ex dT dT
正确处理方法: 64h
将熔融状态的中间产物存放在有搅拌的容器中,检测并 控制温度。此时0.1J/(s·kg)的放热速率很容易从容器 中移出。
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经验教训
热失控反应可能导致严重的后果; 化工工艺热安全问题需要运用专业知识进行正确评估; 热力学分析、热安全问题的解决需要严密的评估方法。
Ar-Cl + 2NH3 → Ar-NH2 + NH4Cl 反 应器 中 物 料 量: 315kg 氯代 芳 烃 化合 物 ( 约2kmol) 和 453kg的30%氨水(约8mol)。两种反应物均在室温下进料, 然后反应器加热到180℃,恒温维持12h。基本数据:
5.4.4二次反应后的最高温度Tend
Tend = MTSR + △Tad,d
5.4.5热爆炸的时间范围TMRad
t Cp RTc2rit Cp RT02 TMR
Q0 E
Q0 E
不回归时间 TNR 0.632 CpRT02
Q0 E
5.4.6 失控反应的严重度
危险等级 极高/灾难性的
Q mC (T T ) ex, fd
pf
Tr : 反应温度
r Tf :出料温度
※加料引起的显热
Q mC (T T ) Tr :反应温度
fd
p fd
r
Tfd : 进料温度
※搅拌装置 ※热散失
Qs≈ 0
Qloss (Tr Tamb )
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工业容器和实验室设备的典型热散失
容器容量 2.5m3 反应器 5m3 反应器 12.5m3 反应器 25m3 反应器 10mL试管 100mL玻璃烧杯 DSC-DTA 1L杜瓦瓶
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5.2 化工过程的热平衡
热平衡项: 生成热Qrx 热移出Qex 物料流动引起的对流热交换Qex,fd 加料引起的显热Qfd 搅拌装置Qs 热散失Qloss
热累积可表示为: Qac = Qrx + Qs
- Qex -Qex,fd - Qfd - Qloss
※生成热
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反应体系内的热生成速率,即
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5.1.4 压力效应
无量纲,相当于汽化分率,也就是 每kg物料所能蒸发成气体的量。
溶剂蒸发量
溶剂蒸发量由反应热(或分解热)计算
Mv

Qr Hv

M r Qr' Hv
(沸点时反应)
反应释放能量一部分用于将反应物加热到沸点,另一部分用 于将物料蒸发。蒸发量可由反应温度到沸点的温差计算。
比热散失/W·kg·K-1 0.054 0.027 0.020 0.05 5.91 3.68 0.5-5 0.018
冷却半衰期t1/2/h 14.7 30.1 40.8 161.2 0.117 0.188 43.3
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实验室三口瓶实验:加热 工业反应釜生产:移热
热平衡问题可以表示为
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△Hr:kJ/mol -55 -105 -65 -150 -120 -100 -60 -200 -560 -130
注意:某些不稳定物质的分解热比一般反应热数值大,但比燃烧热低。 由于其分解产物往往不确定,所以难以由标准生成焓估算分解热。
18种重点监管的危险工艺
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光气及光气化工艺 电解工艺(氯碱) 氯化工艺 硝化工艺 合成氨工艺 裂化(裂解)工艺 氟化工艺 加氢工艺 重氮化工艺 氧化工艺
Qac = Qrx + Qs – Qex – Qex,fd - Qfd - Qloss
热累积
反应热
黏度小, ≈0
热移除
反应温度 即出料温 度,≈0
原料预热 至反应温 度,≈0
保温措施, ≈0
简化表示为
Qac = Qrx– Qex
放热反应冷却失效情形
最终温度
合成反应 最高温度
正常合成 反应温度
达到最 高速率 需要的
Mv
(1
Tb -T0 Tad
)Qr Hv
(沸点以下反应)
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5.1.5 反应速率
单一反应A→P
速率表达式
-rA kcAn0 (1 xA )n = k0eE RT cAn0 (1 xA )n
根据范特霍夫方程,温度每升高10K,反应速率加倍。
复杂反应 串联反应A→P→S 平行反应A→P
低度(low)
极少发生(remote)
几乎不可能发生(almost impossible)
失控后果 工厂毁灭性损失 工厂严重损失 工厂短期破坏
批量损失
TMRad,h <1 1~8 8~24
24~50 50~100 >100
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例题:
在匀速最大工作压力为10MPa的1m3的高压釜中,将氯代芳 烃化合物转化成相应的苯胺化合物,反应过程中使用大大超过 化学计量比(4:1)的氨水(30%),目的是使剩余氨水能 够与反应生成的盐酸发生中和反应,维持pH值大于7,从而避 免腐蚀问题。反应温度为180℃,停留时间为8h,反应的转化 率达到90%。反应方程式表示为
移热22loss简化表示为ex黏度小原料预热至反应温热累积反应热热移除23放热反应冷却失效情形正常合成反应温度合成反应最高温度最终温度不考达到最高速率需要的时间反应完全失控需要的时间2453失控反应全混流反应器零级反应与浓度无关反应放热速率可表示为移热速率可表示为具有热自衡能力的条件为rxexdqdqdtdtex3tctccritsemenov热温图tcrit2554热风险评估26541临界温度tccrit反应体系中存在冷却介质允许的最高温度rtrxexcritqqkevhkattrtrxexcritdqdqkevhkadtdtrtcritcritcritrt反应27542绝热温升tad在绝热条件下进行的放热反应反应物完全转化时所放出的热量导致物料温度的升高adcvhvctacadmtsrtx544二次反应后的最高温度tendadd545热爆炸的时间范围tmradcrtcrttmrqeqe未转化反应物的累积度

比反应热
Q
' r
:kJ/kg。

两者关系:Q
' r
=
1(c -H

r
ρ——反应物密度,kg/m3;
c——反应物浓度,mol/m3;
比反应热是与安全相关的具有重要实用价值的参数,无须 放大,可直接用于实际工艺中。
反应焓的典型值
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反应类型 中和反应(HCl) 中和反应(H2SO4) 重氮化反应 磺化反应 胺化反应 环氧化 聚合反应(苯乙烯) 加氢反应(烯烃) 加氢反应(硝基类) 硝化反应
Qrx Qex1
I
Qex2 Qex3
C S
Tc
Tc,crit Tcrit
T
Semenov热温图
一级反应热温图?
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17:05
5.4 热风险评估
定量评估
• 5.4.1 临界温度Tcrit • 5.4.2 绝热温升△Tad • 5.4.3 冷却失效后合成反应的最高温度MTSR • 5.4.4 二次反应后的最高温度Tend • 5.4.5 热爆炸的时间范围TMRad
Qrx = rA·V·△Hr 简单的n级反应,反应速率rA可表示为
rA

E
k0e RT
cAn0 (1
X
)n
反应的放热速率可表达为
Qrx


k0e
E RT
cAn 0
(1

X )nV Hr
※热移出
Qex KA(Tr Tc )
Tr : 反应温度 Tc : 冷却温度
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※物料流动引起的对流热交换
3天后的温度
T = 90℃+0.2℃/h×(24h×3)=104.4℃
升高至200℃需要
(200-90)÷0.2÷24=23天
安全!?
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实际结果:
周一上午容器发生爆炸! 为什么? 应该怎么推算? 应该怎么办?
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范特霍夫定律:
d ln K dT
=
r Hm RT 2
过氧化工艺 胺基化工艺 磺化工艺 聚合工艺 烷基化工艺 新型煤化工工艺
如煤制油、煤制烯烃、煤制 二甲醚、煤制乙二醇、煤 制甲醇、甲醇制醋酸等
电石生产工艺 偶氮化工艺
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5.1.2பைடு நூலகம்热容
体系的热容Cp是指体系温度上升1K时所需要的能量, 单位为J/K。常用的是比热容,单位为kJ/(kg·K)。
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绝热条件下,反应所释放的全部能量等于提 高反应体系内所有物料的温度所需要的能量
cA0V Hr VCpTad
绝热温升可表示为
Tad

cA0 H r
Cp
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5.4.3冷却失效后合成反应的最高温度MTSR
MTSR Tp X ac Tad
未转化反应物的 累积度:1-X , X为转化率
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5.1 基本概念
5.1.1 反应热 5.1.2 热容 5.1.3 绝热温升 5.1.4 压力效应
——蒸气压、溶剂蒸发量 5.1.5反应速率
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5.1.1 反应热
反应热是伴随反应过程所释放出来的热量值,常用摩 尔反应焓或比反应热来描述。
摩尔反应焓△Hr:kJ/mol;
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第五章 化工工艺的热安全
5.0 典型案例 5.1 基本概念 5.2 化工过程的热平衡 5.3 失控反应 5.4 热风险评估
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5.0 典型案例
在装有2600kg反应物料的间歇反应器中完成合成反应 后,得到了熔融状态的中间产物。将此中间产物放在 90℃的不带搅拌装置的储存容器中,该容器通过热水 循环系统进行加热,温度限制在100℃以下。正常生产 时,熔融状态的中间产物应该立即转移到较小的容器 内进行下游作业。在某个周五晚上,由于技术原因未 能进行转移操作,因此整个周末熔融物将在容器内存 放。由于该中间产物容易分解,工厂经理对产品稳定 性的有关资料进行了研究。测试结果表明,该熔融物 在90℃下按照每天1%的速度分解。由于别无选择,工 厂经理认为这样的质量损失是在可接受的范围内。另 外,DSC图谱显示,200℃时该中间产物出现分解放 热峰,分解热为800kJ/kg。
Tad

(Hr )cA0V
VC p

Qr' Cp
——评估失控反应严重度的常用判据。
5.1.4 压力效应
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蒸气压 克劳修斯-卡拉拍龙方程(Clausiua-Clapeyron’s Law)
ln p Hv ( 1 1 )
p0
R T T0
-△Hv:摩尔蒸发焓 经验法则:温度每升高20K,蒸气压加倍。
RTc2rit E
放热曲线 与移热曲 线存在唯
一交点
Tcrit

E 2R
1
1
4RTc E

dQrx dT

dQex dT
E
k0e
V H RTcrit r
E RTc2rit
KA
5.4.2绝热温升△TAD ——在绝热条件下进行的放热反应,反应物完全转化 时所放出的热量导致物料温度的升高
定性评估
• 5.4.5 失控反应的严重度 • 5.4.6 失控反应的可能性
5.4.1 临界温度TC,CRIT ----反应体系中存在冷却介质允许的最高温度
E
Qrx
Qex
k0e
V H RTcrit r
KA(Tcrit
Tc )
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放热速率 和移热速
率相等
零级 反应
Tcrit Tc
△Tad,℃ >400
高度/危险的
200~400
中度/中等的
50~200
低度/可忽略的
<50且无压力影响
5.4.7 失控反应的可能性
简化的三等级分类
扩展的六等级分类
高度(high)
频繁发生(frequent) 很可能发生(probable)
中度(medium)
偶尔发生(occasional) 很少发生(seldom)
水的比热容比较大,无机化合物的比热容比较小,有 机化合物的比热容适中。
比热容在温度范围不大的区间内可以看作常数,凝聚 相物质比热容随温度的变化比较小。出于安全考虑, 比热容应当取较低值,建议采用比较低的工艺温度 下的比热容值计算绝热温升。
5.1.3 绝热温升
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反应体系不与外界交换能量,体系有反应或分解原因 放热全部用来提高体系自身温度,此时的温度升高值 即为绝热温升。可表示为
A→S
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关系:
反应热:决定体系危险性的根本,危险的能量来源;
比热容:决定体系温度升高的程度,或者说是决定 体系热稳定性的重要基础;
绝热温升:反映体系变化的重要参数,是体系不稳 定程度的重要指标;
压力效应:决定体系破化程度的直接因素,取决于 温度和体系中气体物质的量。
反应速度:受温度影响,决定体系破坏的强度。
温度增加10K,反应速率加倍!
所以100℃时的放热速率应为0.4℃/h。假设90℃到 100℃之间的平均放热速率为0.3℃/h。
90℃ 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
32h 16h 8h 4h 2h 1h 30min 15min8min 4min 2min
周五存放至周一再处理可以吗?
经理推算方法:
每天1%的转化率,则放热速率为
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q' = Q' 800kJ / kg 0.01 0.1J / (s kg) t 24h 3600s / h
转换为绝热温升速率
dT q' 0.1J / (s kg) 5105 K / s 0.2℃/ h dt Cp 2000J / (kg K)
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