全混流反应器的热稳定性
化学反应工程原理热量传递与反应器的热稳定性
TM Tad
28
9.3 连续搅拌釜式反应器的 热稳定性
9.3.1 全混釜的热平衡条件
29
A.一级不可逆放热反应
对组分A作物料衡算：
vCA0 vCAf VRkCAf
CAf
CA0
1 k
30
反应过程的放热速率：
Qg (H )kCAfVR
Q
(H
)k0C
A0VR
exp(
18
9.2.3 临界着火条件与临界熄火条件
“着火”现象：
C和u一定，Tb，
4
当Tb超过Tig时，
下操作点上操作点
Tig—催化剂颗粒的 临界着火温度
3
1 2
19
“熄火”现象和熄火温度：
催化剂处于上操作点时， 使Tb逐渐，当Tb稍低于 Tex时， 上操作点下降到下 操作点。
Tex—为催化剂颗粒的临界 熄火温度
扰动使Ts，Qr<Qg，Ts，到C点；
扰动使Ts ，Qr>Qg，Ts，到A点；
12
可见：
A、C定态操作点对外界的扰动作用具有自衡能 力，为稳定的定态；
B操作点虽然是定态点，但是它对外界扰动作 用没有自衡能力，为不稳定的定态。
13
定态稳定条件分析
定态C点： Qr线斜率>Qg线斜率，即：
dQr dT
dQg dT
定态A点： Qr线斜率>Qg线斜率，即：
dQr dQg dT dT
定态B点： Qr线斜率<Qg线斜率，即： dQr dQg dT dT
14
催化剂颗粒定态稳定条件
Qr Qg dQr dQg dT dT
移热线的斜率大于放热线的斜率
反应工程往年试题
《化学反应工程》2005-2006A一、填空：1、反应器的设计放大方法主要有（）（）（）。
2、按照操作方式，反应器可分为（）（）（）。
3、理想流动模型包括（）（）。
4、固体催化剂中气体组分的扩散形式主要有（）（）（）（）。
5、描述停留时间分布的两个函数是（）（）。
6、转化率、收率、选择性三者关系为（）。
7、固体催化剂的主要制备方法有（）（）（）（）。
8、气—液反应器按气—液相接触形态可分为（）（）（）。
9、化学吸收增强因子的物理意义是（）。
10、本征动力学与宏观动力学分别是指（）（）。
二、等温下在 BR 中进行一级不可逆液相分解反应 A→B+C，在 10 分钟内有 50%的 A 分解，要达到分解率为 80%，问需要多少时间？若反应为二级，则需要多少时间？三、英文题（学其它语种的同学做下面的中文题）An aqueous reactant stream passes through a mixed flow reactor followed by a plug flow reactor. The initial concentration of=1mol/liter. TheA is 4mol/liter. Find the concentration at the exit of the plug flow reactor if in the mixed flow reactor cAreaction is firstorder with respect to A, and the volume of the plug flow unit is three times that of the mixed flow unit.某二级液相反应，在 PFR 中达到 99%转化率需反应时间 10 分钟，如在 CSTR 中进行时，需反应时间为多少？四、有一液相反应 A→P+S，其反应速率-r A=kC A2，k=10m3/Kmol.hr， C A0=0.2Kmol/m3，V0=2m3/hr，比较下列方案，何者转化率最大？（1）PFR，体积为 4m3；（2）PFR→CSTR ，体积各为 2m3；（3）CSTR→PFR，体积各为 2m3；（4）CSTR→CSTR，体积各为 2m3。
全混流反应器的热稳定性
结论
(1) C与d等效，平推流与全混流反应器串联时，与顺序无关。 （2）e与f等效，两个平推流反应器串联和并联时结果相同，与 连接方式无关。 （3）CAf：a>b>c=d>e=f (4)xAf:f=e>d=c>b>a
思考题：
等体积的平推流与全混流反应器串联，在等温条件下 进行二级不可逆反应，反应速率
平推流反应器： VR V0C A0 dxA rA
x Af 0
x Af
0
dxA rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间 t C A0
x Af 0
VR V0t V0C A0
dxA rA
(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反 应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终 反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以 反应体积要大一些。
3.3.4
全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。 对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升 高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然 而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温 度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环 反应温度上升 反应速率加快 反应放热速率增大
E C A0VR (H R )k10 exp( ) C A0VR k (H R ) RT QR E 1 k m 1 m k10 exp( ) RT
B、移热速率
反应工程课件第三章PPT演示课件
（1）全混流反应器的定态基本方程 条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变 A、放热速率
QR VR (rA) f (HR ) VRkCAf (HR )
V0CA0 V0CAf VRkCAf
CAf
V0CA0 V0 VRk
CA0
1 km
QRCA0ຫໍສະໝຸດ Rk(HR )1 kmCA0VR
(HR
)k10
态温度也随之而变。图3.15为
进料温度T0与定态温度T的关系 示意图。 当进料温度从T1慢慢 地增加至T5时，定态温度的变 化如图中曲线12489所示。注
意的是曲线在点4处是不连续
的，定态温度突然增高，这一
点称为着火点；再继续提高进
料温度，定态温度的升高再不
出现突跳现象；若将进料温度
逐渐降低，比如从9降至6，定
即使反应器满足热稳定性条件，仍然还有一个垂数灵敏 性问题。参数灵敏性指的是各有关参数(流量、进口温度、冷 却温度等)作做小的调整时，反应器内的温度(或反应结果)将 会有多大变化。
稳定性问题，系统所受到的短暂的扰动消失后，如果原定 态点是稳定的，将逐步恢复到原操作状态。参数灵敏性问题 ，如果某操作参数的微小变化会引起操作状态的很大变化， 则为反应器操作状态对该参数灵敏，反之为不灵敏。
3.3.3 全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。
对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升 高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然 而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温 度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环
全混流反应器最佳反应体积
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
UAT Tm 0
若反应器没有设置传热面，在绝热条件下操作，则：
V rA H r v0 C p T T0
故变温操作的CSTR设计就是操作方程、设计方程、动力 学方程联立求解的过程，即：
I)全混流反应器的热平衡
单位时间内的热量衡算：
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
以Qg表示放热速度，则：Qg V rA H r 以Qr表示移热速率，则： Qr v0 C p T T0 UAT Tm 定常态下：Qg=Qr
解上式得： xA1=0.702
VR1 VR 2
v0 x A 2 x A1 3 3.88m 2 k CA0 (1 x A 2 )
3
v0 x A1 3 2.77 m 2 k CA0 (1 x A1 )
VRT 6.65m
Return
§3.7 全混流反应器的热量衡算与热稳定性 (1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） 忽略反应流体的密度和定压比热CP随温度的变化，在 定常态下，对反应器作热量衡算有：
★Qr~T是呈直线关系
Qg、Qr都是温度T的函数，当Qg=Qr时，在Q-T图上就表 示两条曲线的交点，交点体现的状态为定常态，但处于 定常态操作的反应器不一定是稳定的。 Qg Qr Qr b c
对于微小的干扰：
a
Qg
△T>0，对a, c两点，Qr>Qg， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qg>Qr，则使反 应温度进一步升高，直到a点； △T<0，对a, c两点，Qg>Qr， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qr>Qg，则使反 应温度进一步降低，直到c点；
全混流反应器
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
级不可逆放热反应有： 对n级不可逆放热反应有： 级不可逆放热反应有
V (−∆H r )C A0 n QG = k (1 − x A ) n v0 ρ c p
对于n=1的情况，有 的情况， 对于 的情况
QG = V (−∆H r )C A0 k ( ) v0 ρ c p 1 + kτ
UATm V (−rA )(−∆H r ) UA = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p v0 ρ c p ρ c p v0
则：
放热速率 移热速率
QG =
V ( − rA )( −∆ H r ) v0 ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
全混流反应器的热衡算及热稳定性
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
三、全混流反应器的热衡算及热稳定性
1．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） ．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） 随温度的变化， 若忽略反应流体的密度和定压比热 c p 随温度的变化，反应器在 定常态下操作对反应器作热量衡算， 定常态下操作对反应器作热量衡算，有：
或
E ] RT QG = E v0 ρ c p + V ρ c p k0 exp[− ] RT V (−∆H r )C A0 k0 exp[−
当 T 时，有 →∞
QG = ( −∆H r )C A0 / ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
单位时间 内反应的 放热量
+
化学反应工程试题 (2)
化学反应工程原理一、选择题1、气相反应CO + 3H 2CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以1∶2摩尔比进料，则膨胀因子CO δ=__A_。
A. -2B. -1C. 1D. 22、一级连串反应AS K 12P 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度=max ,P C ___A____。
A. 122)(210K K K A K K C - B. 22/1120]1)/[(+K K C A C. 122)(120K KK A K K C - D. 22/1210]1)/[(+K K C A3、串联反应A → P （目的）→R + S ，目的产物P 与副产物S 的选择性P S =__C_。
A. A A P P n n n n --00 B. 00A P P n n n - C. 00S S P P n n n n -- D. 00R R P P n n n n -- 4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n___B__。
A. ＜0B. =0C. ≥0D. ＞05、对于单一反应组分的平行反应AP(主)S(副)，其瞬间收率P ϕ随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为____B__。
A. 平推流反应器B. 全混流反应器C. 多釜串联全混流反应器D. 全混流串接平推流反应器6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用____A___。
A. 平推流反应器B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器D. 全混流串接平推流反应器7、一级不可逆液相反应A2R ，30/30.2m kmol C A =， 出口转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3m 。
A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.48、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ，s l mol C r A A ⋅=-/01.0，当l m ol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。
7章 反应器流动模型和热稳定性
出口响应 E(t) (t t )
t V , v
t2
(t t )2 E(t)dt (t
0
t )2 0
从而可知： 平推流反应器 的方差 = 0
2
2 t 2
2 2
1
c
对CSTR
E (t )
t 0
t
脉冲示踪
t
t
出口响应
E (t )
1
t
e
从而可知：CSTR的方差= 2 ,无因子方差
(1) RTD密度函数 E(t)
在t=0时刻进入反应器的N个流体微元，将在t=(0∞)全部离开反 应器。 E(t)定义为在 t 时刻(tt+dt)微元离开反应器的概率，即
E(t) 1 ( N (t,t dt)) 1 dN(t)
N (0, ) dt
N dt
在零时刻同时进入反应器的N个流体微元中,其寿命为 t到 t+dt 的微元数为dN,它占总数N的百分数为E(t)dt 即
0 cAdt
t 3
(c A1
4c A2
2c A3
4c A4
c AN
5 [0 4(3 5 2) 2(5 4 1) 0] 100 3
t tE(t)dt 5 [0 4(0.15 0.75 0.5) 2(0.5 0.8 0.3) 0] 15min
0
3
V 12 15min
u
Dead
zone
沟
回
流
流
存在速度分布
存在死区和短路现象
存在沟流和回流
偏离理想流动模式，反应结果与理想反应器的计算值具有 较大的差异。
2 停留时间分布的定量(统计)描述
借用人口学（Population）中两个统计参数 a) 社会人口的年 龄分布和 b) 寿命(死亡年龄)分布，在反应工程中假设：
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dQr dT
T s
Qg
Qg
s
dQg dT
T s
全混流反应器的热稳定性
进口温度变化时操作状态的变化
全混流反应器的热稳定性
进口温度与反应温度的关系
全混流反应器热稳定 性的定态分析
反应器的物料衡算和 热量衡算
以一级不可逆反应为 例
反应过程达到定态的 必要条件是移热量等 于方热量
vT cA0 vT cA VkcA 0
vT c p ( T0 T ) ( H )VkcA UAR ( Tc T ) 0
Tad
k0
exp
E RT
1
k0
exp
E RT
全混流反应器的热稳定性
不同停留时间下的发热曲线和 移热曲线
移热线斜率大于发热线斜率是 定态稳定的必要条件，称为斜 率条件
dQr dT
s
dQg dT
s
Qr
Qr
s
• 反应物料温度升高，带走一部分或全部热量。 • 设置换热器，用冷却介质带走热量。
全混流反应器的热稳定性
热稳定性的基本概念
在全混流反应器中以一简单 反应为例
AB
Qr UAR T Tc
全混流反应器的热稳定性
热稳定性的基本概念
为了避免不稳定性，应使反应器呈单一定态，可以采 取两个方案
Qr T T0 NT Tc 1 N T T0 NTc
全混流反应器的热稳定性
不同进料流量的移热线
Qr T T0 NT Tc 1 N T T0 NTc
全混g
Tad
k 1 k
全混流反应器的热稳定性
全混流反应器的热稳定性
• 热稳定性的基本概念
• 反应器的热稳定性是放热反应系统所特有的一种行为， 其起因是反应过程的非线性性质，具体表现在反应速率 对反应温度的非线性依赖关系。
• 在反应器中进行一放热反应时，反应器要求保持定常态， 就必须不断移走反应放出的热量。
• 移走热量一般通过两种途径：
( T0
T
)
UAR vT c p
(
Tc
T
)
( H vT c p
)
kc A
（T
T0
)
N
(T
Tc
)
Tad
k 1 k
Qr (T T0 ) N (T Tc ) (1 N )T (T0 NTc )
全混流反应器的热稳定性
进料流量一定时不同进料温度 或冷却介质温度下的移热线
增大UAR，同时提高Tc，使直线和曲线只存在一个交点
UAR
dQg dT
max
提高或降低Tc，使之避开图中虚线所示的多态区,操作在
高温区或低温区，缺乏对反应温度的选择余地。
在工业实际中，为了能有效地控制反应温度，通常采 用较大的传热面积和较高的冷却介质温度
全混流反应器的热稳定性