第十章反应器的热稳定性和参数灵敏性(201205)
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
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
化学工程反应器知识点
化学工程反应器是化学工程领域中的重要组成部分。
反应器是用来进行化学反应的装置，它可以控制反应条件，实现化学反应的高效进行。
在化学工程反应器中，有许多重要的知识点需要了解和掌握。
本文将从基本概念、分类、设计和操作等方面，逐步介绍化学工程反应器的知识点。
一、基本概念 1. 反应器定义：反应器是用来进行化学反应的设备，它可以控制反应条件，包括温度、压力、物料进出等。
2. 反应器的作用：反应器可以实现化学反应的高效进行，提高反应速率和产物纯度。
3. 反应器的组成：反应器由反应容器、加热/冷却设备、搅拌装置、进出料口等组成。
二、分类 1. 反应器按照物料状态分类： - 气相反应器：适用于气体反应体系，如氧化反应。
- 液相反应器：适用于液体反应体系，如酯化反应。
- 固相反应器：适用于固体反应体系，如催化剂反应。
- 气-液相反应器：适用于气体与液体相间的反应体系，如气液萃取。
2. 反应器按照反应类型分类： - 批量反应器：适用于小规模生产和实验室研究。
- 连续流动反应器：适用于大规模生产，可以连续输入原料和产出产物。
- 微型反应器：适用于微量反应体系，可以实现高通量实验。
- 等温反应器：反应温度保持恒定。
- 非等温反应器：反应温度随时间变化。
三、设计 1. 反应器设计的目标：反应器设计需要满足反应速率、产物纯度、安全性等要求。
2. 反应器设计要考虑的因素： - 反应动力学：了解反应速率方程和反应机理，确定反应条件。
- 热力学：了解反应热效应，设计适当的冷却/加热设备。
- 流体力学：考虑反应物料在反应器内的流动情况，设计合适的搅拌装置。
- 安全性：考虑反应器内部的压力、温度等参数，设计安全措施。
3. 反应器设计的方法：- 经验法：根据类似反应器的经验数据进行设计。
- 数值模拟：利用计算流体力学（CFD）软件进行反应器内部流动和传热的模拟，优化设计。
- 实验方法：通过实验研究确定反应器设计参数。
化学物质热稳定性评价
2
热稳定性的表征
表征热稳定性的参数
失控反应可能性的评估准则
简化的三等级 高的（high） 扩展的六等级 频繁发生的（frequent） 很可能发生的（probable） 中的（medium） 低的（low） 偶尔发生的（occasional） 很少发生的（seldom） 极少发生的（remote） 几乎不可能发生的（almost impossible） 最大温升速率时间(h) ＜1 1-8 8-24 24-50 50-100 ＞100
3
热稳定性的评价方法
怎样估算
（3）反应热（或分解热）的估算
假定反应可以进行到底，按最大放热原则写出反应方程式。即 将被研究的物质分解为构成它的元素的原子，再按着由经验决定的 先后顺序给出生成物，剩余的原子则以单质或分子状态存在。 CHON系有机物反应产物以N2、H2O、CO2的顺序生成，剩余者为 C、H2、O2。分解热Q=Σ产物的生成焓-Σ反应物的生成焓。单位质 量的最大分解热 Hmax = -Q/M 如：间二硝基苯分解反应为： C6H4(NO2)2 = N2 + 2H2O + CO2 + 5C 过氧化二苯甲酰的分解反应为： (C6H5COO)2 = 4H2O + 14C + H2
2
热稳定性的表征
表征热稳定性的参数
（1）生成热（ △H f） （2）反应热（△Hr） （3）绝热初始放热温度（T0） （4）绝热温升（ △ Tad） （5）反应速率（k） （6）表观反应活化能（Ea） （7）绝热最大温升速率时间（TMRad） （8）不可逆温度（TNR） （9）自加速分解温度（SADT）
3
热稳定性的评价方法
热稳定性的 评价方法
理论 估算预测
化学反应工程原理-热量传递与反应器的热稳定性
04 热量传递与反应器热稳定 性关系
热量传递对反应器热稳定性影响
温度梯度
热量传递导致反应器内温度分布不均，形成温度 梯度，影响反应速率和选择性。
热应力
不均匀的温度分布导致反应器材料产生热应力， 可能引发破裂或变形。
热失控
过度的热量积累可能导致反应器热失控，引发安 全事故。
反应器热稳定性对热量传递要求
传热面积等。
选用高性能材料
选择具有优良传热性能和高温 稳定性的材料，如陶瓷、金属 合金等。
强化热量管理
采用先进的热量管理技术，如 热管技术、微通道反应器等， 提高热量传递效率。
引入控制系统
引入先进的温度控制系统，实 现反应温度的精确控制，确保
反应器热稳定性。
05 热量传递与反应器热稳定 性实验方法
热稳定性影响因素
01
反应器结构
反应器的形状、尺寸、材质和保温措施等结构因素都会影响其热稳定性。
例如，反应器壁面厚度和材质热导率会影响热量传递速率，从而影响热
稳定性。
02
操作条件
操作压力、温度、物料浓度和流速等操作条件对反应器的热稳定性也有
显著影响。例如，高温高压条件下，反应速率加快，热量生成增多，对
优化措施
为实现优化目标，采取了多种措施，包括 改进换热器设计、优化操作参数、实施节 能技术改造等。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
基于模拟的评价方法
通过建立反应器的数学模型，模拟不同操作条件下的温度响应过程，分析模拟结果中的温 度波动范围和稳定时间等参数，评价反应器的热稳定性。这种方法成本低、效率高，但模 型精度和适用性需要验证。
基于理论分析的评价方法
通过分析反应器内的热量传递和反应动力学过程，推导热稳定性的理论判据和评价方法。 这种方法具有普适性，但需要深入的理论分析和计算。
化学反应工程-第10章
第一种操作,两等体积全混流反应器串联(如图)
cX 1 YX / S (cs 0 cs ) Ks D cs1 max D
rX 1 1cX 1 DYX / S (cs 0
ES + I
(3)非竞争性抑制：抑制物与底物结合酶的不同部位，影响产品收率。
E
反应机理
+ +
S
ES
+
k2
E
+
P
I EI
I
反应动力学方程：
r
SEI
r c rmax cs I ,max s (1 cI / K I )( Km cs ) K m cs
(4)底物抑制：部分酶催化反应速率与底物浓度关系不是双曲线函 数，而是抛物线。E S E P ES
其中
YX / S
qs
1 1 m qp YX / S YP / S
YP / S
最大细胞得率, m 菌体维持系数,
基质的产物得率
10.3.3 产物生成动力学
Gaden将发酵分为三种类型:
Ⅰ型为细胞生长与产物合成偶联型
其动力学过程为: rP YP/ X rX YP/ X cX
10.2.3 有抑制作用的酶催化反应动力学
抑制
可逆性抑制：竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制 不可逆性抑制
(1)竞争性抑制：抑制物与底物竞争酶的同一可结合部位。
反应机理
E E
+
S I
ES EI
k2
E
+
P
+
9反应器的热稳定性和参数灵敏性
进行气固相催化反应器设计时，应注意的地方： 1、反应器设计时，要考虑安全裕度； 2、设计合理的操作规范，严格操作程序。 如催化剂再生时，温度不能超过额定值、注意 催化剂再生时破碎等情况、反应的危险性等； 3、反应器严格按照设计进行制造、检验，坚决 杜绝有缺陷的反应器投入使用等。
二、反应器参数的灵敏性 当反应系统一个参数的微小变化引起其他参数有重大 变化时，这种现象称为参数的灵敏性。
这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定性。
第三节 反应器参数的灵敏性
一、反应器的安全性
对于反应器的设计师或反应器的操作人员而言，都应 十分关心反应器的安全性。对于多数反应器，都能按 照其设计的操作方案平稳地进行操作，而少数反应器， 则存在操作失常状态，严重的将引起致命的事故。因 此反应器的设计师有责任检验和确保反应器平稳安全 地进行操作。
对于确定的反应过程反应热恒定定压热容变化也不大故最好的办法是在原料气中掺入惰性气体不参加反应的气体这样可降低反应物的浓度从而降低绝热温升达到提高反应转化率的目的
第九章 Chapter 9
反应器的热稳定性和参数灵敏性 Thermal Stability & Parameter Sensitivity
连续流动反应器一般按定常态进行设计，即规定了进 料流量、组成及温度；反应器内物料浓度、温度、冷 却（加热）介质的温度、流量不随时间发生变化。 在实际生产过程中，这些参数不可能恒定不变。 当出现某种干扰时，生产能否在最佳条件下操作？
1、绝热式反应器的参数敏感性 反应器各处状态仅决定于进口条件。 假定：径向温度均一，采用一维拟均相模型：
dxA ( R A )(1 B ) 物料衡算： dL u 0 c A0
热量衡算： dT
化学反应工程知识点
化学反应工程知识点—郭锴主编1、化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且着重研究传递过程对宏观化学反应速率的影响，研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。
2、任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料的预处理、化学反应过程和产物的后处理这三个部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。
3.化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。
数学模型法是对复杂的、难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。
模型必须具有等效性，而且要与被描述的实体的那一方面的特性相似；模型必须进行合理简化，简化模型既要反映客观实体，又有便于数学求解和使用。
4.反应器按型式来分类可以分为管式反应器、槽式反应器（釜式反应器）和塔式反应器。
5反应器按传热条件分类，分为等温反应器、绝热反应器和非等温非绝热反应器。
第一章 均相单一反应动力学和理想反应器1、目前普遍使用关键组分A 的转化率来描述一个化学反应进行的程度，其定义为：00A A A A A A n n n x -==组分的起始量组分量转化了的 2、化学反应速率定义（严格定义）为单位反应体系内反应程度随时间的变化率。
其数学表达式为dtd V r ξ1=。
3、对于反应D C B A 432+=+，反应物A 的消耗速率表达式为dt dn V r A A 1-=-；反应产物C 的生成速率表达式为：dtdn V r C C 1= 4.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为反应动力学方程。
大量的实验表明，均相反应的速率是反应物系的组成、温度和压力的函数。
5.阿累尼乌斯关系式为RT E C C e k k -=0，其中活化能反应了反应速率对温度变化的敏感程度。
6、半衰期：是指转化率从0变为50%所需时间为该反应的半衰期。
7、反应器的开发大致有下述三个任务：①根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器型式；②结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操条件；③根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。
化学反应器的热稳定性和参数灵敏性
二、全混流反应器的热稳定性
1、全混流反应器的多重定态
定态下操作的全混流反应器，反应温度系由整个反应器
的物料衡算和热量衡算决定。当反应器中进行一级不可逆反
应A→B时，物料衡算方程为：
qV (cA0 cA ) VRkcA
或
cA
cA0
1 k
(1)
热量衡算方程为：
qV cP (T T0 ) UAR (T Tc ) (H）VRkcA
Tad
k 1 k
Tad
1k0ke0xepx(p(RERTET)（) 5）
由上式可以看出，当停留时间 一定时，如果T很小，则
有 k ，这1 时发热曲线为指数曲线；T很大时，则
有 k
， Qg趋近于绝热温升△Tad，此时其斜率接近于0，
曲线平行于T轴。温度一定时，则停留时间越长，发热量越
大。Qg曲线如下图所示。
高进口温度至Te，反应温度将逐渐升高至点9。当进口温度从
Te逐渐下降至Tb时，反应温度会沿着S型曲线的上半支逐渐 下降至点6，此时进口温度若继续下降，反应温度将突降至点
2，即熄火现象。
下图为进口温度与反应温度之间的关系。反应温度随进
口温度存在两个突变点，着火温度Td和熄火温度Tb。着火温度
和熄火温度时不相等的，进口温度在两者中间时，
量，温度会继续下降到T3；当温度上升到Tb时，发热量大于
移热量，温度会继续上升到T7，可知点5是不稳定的。 可以看出，定态点3、5、7的移热线斜率和发热线斜率有：
dQg
dT
3
dQ r dT
3
,
dQg dT
7
dQ r dT
7
,
dQg dT
5
dQr dT 5
反应器稳定性与非等温反应器设计(课件)
• 反应器体积
V
V
dV
cAf vdcA
0
r c A 0
A
• 热衡算:
dE
dt
Q W
n i 1
Ei Fi
|in
n
i 1
Ei Fi
|out
全混流反应器的热稳定性
全混流反应器操作中的温度控制问题 全混流反应器的多重定态 全混流反应器的热稳定性
13:08:19
反应器的温度控制
• 采用全混流反应器
)
进料量小时的情况
A
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响：
增大进料量， Qr
移热线斜率减
F
小，移热线右
倾斜
接触时间缩短，
转化率降低，
放热量减少， 生热线右移
AB
T
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响：
增大进料量， Qr 移热线斜率减 小，移热线右 倾斜
G F
接触时间缩短，
转化率降低，
E
放热量减少，
• 定态点B：
Q
• 温度高于定态点
• Qg<Qr • 可回到定态点
• 温度低于定态点
• Qg>Qr • 可回到定态点
• 稳定的定态点 A B
• 反应速度慢，无意义
Qr
E
F Qg
D
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 定态点D：
Q
• 温度高于定态点
• Qg>Qr • 到定态点E
• 温度低于定态点
• Qg<Qr • 到定态点B
• 操作定态：
• Qg=Qr
Q
• 定态数： • 最多三个 • 最少一个
列管式固定床反应器热稳定性和参数敏感性
( 1- 2Ε )-
( 1+ 2Ε )8 5+
cr D a ΒΗ m- 8 5+
cr 5 2 + D a ΒΗ m8 cr 5 2+ D Α ΒΗ m8
2
达式, 即安全操作所允许的温度上限, 当 n = 1 时, 式 ( 12) 化成 2 ( 13) Η m , cr = 1- 2Ε 1. 2 临界判据 反应器设计和工业操作中, 如何划分反应系 统安全操作和出现飞温的界限, 即确定临界判据 问题具有十分重大的意义。 对于一定操作条件下 的反应过程, 反应系统是否发生飞温, 取决于该系 统在热点前产热速率和排热速率的变化关系。 当
式 ( 8) 给出了反应系统参数敏感性的数学特 征, 说明热点轨迹的拐点是反应系统的参数敏感 点, 经过该点的操作曲线称为临界操作曲线, 此时 的操作条件为临界条件, 对应的热点温度是反应 系统安全操作所允许的临界热点温度。 对于在固定床反应器中进行的 n 级反应, 采 用一维拟均相模型, 假设冷却介质温度恒定不变 并与床层进口原料温度相等, 得到反应系统的操 作曲线为:
文章编号: 1001- 4764 ( 2002) 01- 0042206
列管式固定床反应器热稳定性和参数敏感性
石德武, 崔 波, 方晨昭
( 青岛化工学院化工与制药工程学院, 山东 青岛 266042)
摘 要: 阐述了反应系统出现参数敏感的理论依据和各主要操作参数对反应系统热稳定 性和参数敏感性的影响, 及列管式固定床反应器热稳定性和参数敏感性的研究的近期进 展, 为列管式固定床反应器的设计和操作提供了参考。 关键词: 固定床反应器; 热稳定性; 参数敏感性 中图分类号: TQ 051. 14 文献标识码: A
0 n- 2
收藏：化工反应器的基本知识
收藏：化工反应器的基本知识F-T合成反应器F-T合成反应器呼跃军摄化工装置反应设备是发生化学反应或生物质变化等过程的场所，是流程性材料产品生产中的核心设备。
广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。
在化工生产中，化学反应的种类很多，操作条件差异很大，物料的聚集状态也各不相同，使用反应器的种类也是多种多样。
本期内蒙古化工小编就与大家分享一篇文章，了解反应器的基本知识。
一般可按用途、操作方式、结构型式等进行分类。
最常见的是按结构型式分类，可分为机械搅拌式反应器，釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器，移动床反应器，电极式反应器和微反应器。
内蒙古化工小编接下来就就带你认识了解各类反应器和它们的特点。
机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器可以用于均相反应，也可用于多相（液-液，气-液，液-固）反应，可以间歇操作，也可以连续操作。
可在常压，加压，真空下生产操作，可控制范围大。
同时在生产结束后，出料容易，反应器清洗方便，机械设计也已经成熟，因此用途十分广泛。
搅拌反应器主要由搅拌容器和搅拌机两大部分组成，搅拌容器包括筒体，换热元件及内构件。
搅拌器，搅拌轴及密封装置，传动装置等统称为搅拌机。
釜式反应器釜式反应器也称槽式、锅式反应器。
特点：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。
物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。
反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。
绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
管式反应器管式反应器主要用于气相、液相、气—液相连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置。
其结构简单，制造方便。
全混流反应器的热稳定性
(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为
k VR V0 2k VR V0 2 k
C Af , f C A1e
C A0 e
C A0 e
(g)为平推流与全混流反应器并联
cAf , g
c A0 2 kt 0.5 cA0e 1 2k
（2）全混流反应器的多态
QR C A0VR k (H R ) 1 k m C A0VR (H R )k10 exp( E 1 m k10 exp( ) RT E ) RT
QR(QC) QC
QR
N
QR曲线与QC直线的交点处 QR =QC
P
放热速率=移热速率，达到了热平 衡，就是系统的操作点。并且这 种交点随操作参数不同有可能是 多个，这种有多个交点的现象称 为反应器的多态。
当k 1时 C A0 C C Af ,a A0 1 2k 3 C A0 C A0 C Af ,b 2 (1 k ) 4 C A0 k C A0 C Af ,c C Af ,d e 1 k 5.44 C A0 2 k C Af ,e C Af , f C A0 e 7 .4
1）热稳定性和参数灵敏性的概念
如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的 ，就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率 应该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处 温度将不随时间而变化，处于定态。
但是，实际上各有关参数不可能严格保持在给定值，总 会有各种偶然的原因而引起扰动。扰动表示为流量、进口温 度、冷却介质温度等有关参数的变动。如果某个短暂的扰动 使反应器内的温度产生微小的变化，产生两种情况： 一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称该反 应器是热稳定的，或是有自衡能力； 另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止， 则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力。
9反应器的热稳定性和参数灵敏性
9反应器的热稳定性和参数灵敏性在化工领域中，反应器的热稳定性和参数灵敏性是非常重要的两个方面。
热稳定性指的是反应器在承受不同温度条件时的安全性和稳定性，而参数灵敏性则是指反应器不同参数变化对反应速率和产物选择性的影响程度。
首先，反应器的热稳定性非常关键。
由于化学反应过程中伴随着化学能量的变化，反应器在吸热或放热的过程中会产生热量。
如果反应器无法有效地排放这些热量，就会导致反应器温度升高，进而引发剧烈反应，甚至发生事故。
因此，反应器设计中必须考虑热稳定性，以确保反应过程的安全性和稳定性。
要提高反应器的热稳定性，可以采取多种措施。
一方面，可以通过增加反应器的冷却面积和提高冷却介质的流速来提高散热效率。
另一方面，还可以采用改进的反应器结构，如内部换热管或换热板，以增加热量的传递面积。
此外，还可以利用高效的混合设备和均匀温度分布来减少热点的产生。
另一个重要的方面是反应器的参数灵敏性。
反应器的参数包括温度、压力、物料配比、催化剂浓度等。
不同参数的变化会对反应速率和产物选择性产生影响。
因此，在反应器设计过程中，需要对这些参数进行分析和优化，以获得期望的反应结果。
参数灵敏性分析是通过对反应器数学模型进行求解和灵敏度分析来实现的。
数学模型可以描述反应物质在反应器中的转化过程，而灵敏度分析可以计算不同参数变化对反应速率和产物选择性的影响程度。
通过这种分析，可以确定对反应结果影响最大的参数，并对其进行优化。
此外，对于反应器参数的优化，还可以利用反应器的实时监测和控制。
通过在反应器中安装传感器和自动控制系统，可以实时监测反应物质的浓度、温度等变化，并进行反馈控制。
这样可以在反应过程中及时调整参数，使反应器始终处于最佳工作状态，从而提高反应效率和产物选择性。
总结起来，反应器的热稳定性和参数灵敏性是化工领域中非常重要的两个方面。
通过合理的反应器设计和参数优化，可以提高反应器的热稳定性，确保反应过程的安全性和稳定性。
同时，通过参数灵敏性分析和实时监测控制，可以优化反应器的工作参数，提高反应效率和产物选择性。
化学反应动力学与反应速率的稳定性
产物性质要求
考虑产物纯度、收率、副产物生成等因素，选择能 够满足产物性质要求的反应器类型。
安全生产要求
针对反应过程中可能出现的爆炸、腐蚀等安 全风险，选择具有相应安全保护措施的反应 器类型。
操作条件对产物性质影响分析
温度
反应温度对反应速率和产物性质均有显 著影响，需通过实验确定最佳反应温度
范围。
物料配比
影响反应速率因素探讨
浓度影响
反应物的浓度对反应速率有直接影响。一般来说，反应物浓度越高， 反应速率越快。
温度影响
温度是影响反应速率的重要因素之一。升高温度可以加快反应速率， 降低温度则会减慢反应速率。
催化剂影响
催化剂可以显著改变反应速率，通常可以使反应速率加快。催化剂通 过改变反应历程来降低反应的活化能，从而加速反应的进行。
01
温度控制
选择适宜的反应温度，以兼顾反应 速率和选择性。
浓度管理
维持反应物和产物在适宜浓度范围 ，确保稳定反应环境。
03
02
压力调整
通过改变系统压力，调控气体反应 速率和平衡。
催化剂再生与循环
采取适当方法恢复催化剂活性，延 长使用寿命。
04
新型催化剂在提高稳定性方面应用前景
高活性催化剂
降低活化能，提高反应速率，同时保持较好的稳定性。
未来挑战：环境友好型催化剂设计挑战
催化剂活性与选择性
设计具有高活性和高选择性的环境友好型催化剂，是实现 绿色化学的关键。未来需要发展新型催化剂材料，优化催 化剂制备工艺，提高催化剂性能。
催化剂稳定性与寿命
在实际应用中，催化剂的稳定性和寿命至关重要。未来需 要研究催化剂的失活机理，开发具有长寿命和高稳定性的 催化剂。
7反应器热稳定性28
达到定态所需时间及定态时的温度浓度值.
如果出于安全考虑釜内温度不得超过180F,在釜内 初值为T=150F ,CA=0时起动是否安全 初值为T=150F ,CA=0.14时起动是否安全 解
vA=80 lbmol/hrv vB=1000 lbmol/hrv UA=16000Btu/hrF vM=100 lbmol/hrv
T
3 定常态热稳定性判据
稳定性判据可由对放热曲线和散 热曲线的分析得到。
对于稳态点a或c，当扰动dT > 0 时，则 dQr > dQg ；
而当扰动dT < 0时，dQr > dQg， 均同除于dT，可得
Q c
b
dQr dQg dT dT
dQr
dQg
a dT T
上式即为定常态稳定性的判别式。该式表明，在工作点处的 放热曲线的斜率小于散热曲线的斜率时，定态点是稳定的。
T0 ,v, CA0
U [J/hr m2 ℃]
空时 =V/v
dC A (C A0 C A ) kC A dt V 积累项 流动项 源项
热衡算动态方程
Tm
V T d
h
v, CA
dT (V CP ) CP (T0 T ) (h d )U (T Tm ) (H )VkC A dt 积累项 流动项 换热项 源项
t f ( x, T )
B点
C, A二点
如对C, A二点——出现（干扰）后也能恢复 对B点 —— 任何（干扰），都使工作点发生转变
2 CSTR定态分析
1) 放热曲线Qg － T
Qg
Qgmax= (-⊿H)Ft 0 yA0
由定态方程 (无时间变量t)的 解可求得定态下的温变T
聚合物反应工程基础知识总结
聚合物反应工程基础知识总结聚合物反应工程基础知识总结第一章（填空、选择、简答）1.聚合物反应和聚合物生产的特点：①反应机理多样，动力学关系复杂，重现性差，微量杂质影响大。
②除了要考虑转化率外，还要考虑聚合度及其分布，共聚物组成及其分布和序列分布，聚合物结构和性能等。
③要考虑反应时候的聚合物流动、混合、传热、传质等问题。
④要考虑反应器放大的问题。
2.本课程研究内容：1)聚合物反应器的最佳设计。
2)进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
第二章（所有题型）化学反应器：完成化学反应的专门容器或设备。
1、反应器分类：1)按物料相态分类（这个老师重点上没说）2)按结构型式分类类型优点缺点举例釜式反应器优点：结构简单，加工方便，传质、传热效率高，适应性强，操作弹性大，连续操作时温度、浓度易控制，产品质量均一，适于多品种、小批量生产。
要求达到高转化率时，反应器容积大顺丁橡胶，丁苯橡胶，聚氯乙烯管式反应器结构简单、加工方便，耐高压，传热面大，热交换效率高，容易实现自动控制对慢速反应管子要求长且压降大高压聚乙烯的生产，石脑油的裂解，轻油裂解生产乙烯塔式反应器挡板型: 适于快速和中速反应过程，结构复杂固体填充式: 结构简单，耐腐蚀，适于快速和瞬间反应过程不同塔不同，书上没说，具体见老师ppt吧o(╯□╰)o苯乙烯的本体聚合，已内酰胺的缩聚流化床反应器传热好，温度均匀，易控制催化剂的磨损大，床内返混大，高转化率难丙烯氨氧化制丙烯腈，萘氧化制苯酐，聚烯烃的生产3)按操作方式分类间歇反应器：在反应之前将原料一次性加入反应器中，直到反应达到规定的转化率，即得反应物，通常带有搅拌器的釜式反应器。
优点是：操作弹性大，主要用于小批量生产。
连续操作反应器：反应物连续加入反应器产物连续引出反应器，属于稳态过程，可以采用釜式、管式和塔式反应器。
优点是：适宜于大规模的工业生产，生产能力较强，产品质量稳定易于实现自动化操作。
半连续操作反应器：预先将部分反应物在反应前一次加入反应器，其余的反应物在反应过程中连续或断连续加入，或者在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出，属于非稳态过程。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
E Rg
T
Tw Tw2
T Tw RgTw2
1.37
E
即：
T－Tw
1.37
RgTw2 E
18
• 床层最大直径：
令：Q RA1 B H
• 为单位床层体积内放出的热量，称放热 强度。则：
R2E
RgTw2r
1 B
H f
C
AS
k0
exp
E RgTw
Rmax 2EQ
RgTw2r
2
因此：
RgTw2 R2E
d 2
dz 2
14
• 将以上结果代入到简化了的方程中去：
r
RgTw2 R2E
d 2
dz 2
1 Rz
RgTw2 RE
d
dz
RA 1 B H
d 2
dz 2
1 z
d
dz
R2E
RgTw2r
RA 1 B H
RA
f
CAS
k0
exp
E RgT
Let :
R2E
RgTw2r
1 B H f
13
• Let :
RA
f
Cas
k0
exp
E RgT
z r R
dz dr R
T Tw
RgTw2 E
dT dT d dr d dr
dT RgTw2
d E
dT RgTw2 d
dr E dr
dr Rdz
dT RgTw2 d
dr RE dz
d 2T dr 2
RgTw2 E
d 2
dr 2
d 2T dr 2
C
AS
k0
exp
E RgTw
15
d 2
dz 2
1 z
d
dz
exp
E RgT
exp
E RgTw
exp
E RgT
E RgTw
d 2
dz 2
1 z
d
dz
exp
E Rg
1 T
1 Tw
d 2
dz 2
1 z
d
dz
exp
E Rg
Tw T TTw
近似认为: TTw Tw2
16
d 2
dz 2
1 d
k0e RT 1 xA
xA
VR V0
E
k0e RT
1 VR V0
E
k0e RT
4
E
将xA
k0e RT
E
1 k0e RT
代入V0 c p T1－T2 KAT2 TW V0cA0 xAf H r 0
并移项整理：
V0 c p T2－T1 KA T2 TW
z dz
exp
E Rg
T
Tw Tw2
d 2
dz 2
1 d
z dz
exp
边界条件相应转变为：
z0
d 0,
dz
z 1 0即T＝Tw
• 以上方程在δ>2时无有限解，说明当δ>2 时反应器的操作是不稳定的。
17
• 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：
作压力下爆炸； • 3超温造成设备应力增大； • 4设备腐蚀造成局部强度下降等。
24
• 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。
25
燕山石化公 司化工二厂 环氧乙烷车 间 已经爆破了 的防爆膜
26
Rmax
2RgTw2r
EQ
19
• 讨论： • 1 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。 • 2 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。
20
9.3 反应器热点和操作安全性
VR x Af x A1
FA0
rAf
当进口物流不含产物时，xA1 0
rAf
FA0 xAf VR
V0c A0 x Af VR
代入热量衡算方程，得：
V0 c p T1－T2 KAT2 TW V0cA0 xAf H r 0
V0 c p T1－T2 cA0 xAf H r KAT2 TW
在定常态下以整个反应器进行热量衡算：
物流携 物流携 反应器与环 反应器内反
入热量
V0 c pT1
出热量
V0 c pT2
境的热交换
KAT2 TW
应的热效应
rA Hr
VR
积累量
0
整理得：
V0cp T1－T2 KAT2 TW rA Hr VR 0
2
全混流反应器基本方程：
• 而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。
9
• 从数学上看，NM和P点的区别为：
NM点：dqr dqg dt dt
而P点 dqr dqg dt dt
因此，dqr dqg 为稳定操作点的必要条件。 dt dt
E
VR c A0 k0e RT H r E
1 k0e RT
如果是放热反应，上式左侧为移热，右侧为产热。
5
左侧：移热速率：qr V0 cp T2－T1 KAT2 TW
qr V0 cp KA T2 V0 cpT1 KATW
E
右侧：产热速率：qg
VRcA0k0e RT H r
12
• 通过拟均相二维模型讨论：
r
2T r 2
1 r
T r
l
2T l 2
ugCp
T l
RA 1 B H
• 仅考虑径向热量传递时可以简化为：
r
d 2T dr 2
1 r
dT dr
RA 1 B H
• 边界条件：
r0
dT 0 dr
rR
T Tw
• 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
但不是充分条件
10
• 进料温度与 反应器操作 温度的关系
• 进料温度在 TA与TD之间， 存在两个稳 定操作点。
11
9.2 管式反应器的稳定性与参数灵敏性
• 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。
• 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：
RA 1
B
H
uCp g
dT dl
＋U
4 di
T
Tr
• 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。
21
• 即dT/dl=0 • 如果放热量大于移热量，则dT/dl>0，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。
第十章 反应器的热稳定性与参 数灵敏性
• 本章讨论内容： • 连续流动反应器一般按定常态设计，
但反应器的操作并不总是稳定的，一旦 某些操作参数发生变化，反应器是否在 接近设计条件下操作；这些参数的变化， 是否影响反应器的安全运行。
重点讲全混反应器，不讲管式反应器
1
9.1 全混流反应器的热稳定性
• 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。 3
• 反应器的定态
• 一级不可逆放热反应：
rA kcA kcA0 1 xA k0e
E RT
cA0ຫໍສະໝຸດ 1xA代入全混流反应器基本方程且考虑xA1 0：
V0cA0 xA
VR
E
k0e RT cA0
1 xA
VR
V0 xA
E
8
• 如果一个操作点在受到扰动后能自行恢 复，称为稳定操作点。否则称为不稳定 操作点。
• 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。
• 同理，M点也是稳定操作点。
E
1 k0e RT
以操作温度T2为横坐标，分别对qr和qg作图：
移热速率为一直线，放热速率非线性关系。
6
7
• 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 • 稳定性问题： • 体系受到扰动后自行恢复的能力。
• 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。
22
23
• 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： • 1 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； • 2局部超温，使设备强度下降，在正常操