9反应器的热稳定性和参数灵敏性

E
qg
(H r )T0 k0 exp( RT )cA0VR
1
k0
exp(
E RT
)
V0 c pi
(T
T0 )
UAh
(T
TC
)
(H r )T0 k0
1 k0
exp( exp(
E RT
)c
A0VR
E) RT
P
图解法：
N
qr qg
M
分别以 qr , qg 对T作图， 图中移热速率为一直线， 其斜率为：
V0[c pi (T T0 ) (H r )T0 cA0 xA ] UAh (TC T )
二、全混流反应器的定态
定态下，CSTR的操作温度及要达到的转化率应满足 物料及热量衡算式。
1级不可逆放热：
rA
k0
exp(
E RT
)c
A
k0
exp(
E RT
)c
A0
(1
xA)
VR
k0
V0 x A exp( E )(1
RT
xA)
xA
k0
exp(
E RT
)
Baidu Nhomakorabea
1
k0
exp(
E RT
)
V0 c pi (T T0 ) UAh (T
左边：移热速率qr ：
TC
)
(H r )T0 k0
1 k0
exp( exp(
E RT
)c
A0VR
E) RT
使物料从温度T0升高到操作温度T所需的热量+ 冷却介质带走的热量
右边：反应放热速率：
只有放热反应才会出现多定态现象，而吸热反 应的定态总是唯一的。
第二节 管式反应器的热稳定性（自学）
流体在管式反应器内作非理想流动，由于逆向扩散， 产生返混现象。
当轴向扩散系数很大时，反应器接近全混流反应器， 有可能存在多重定态和热稳定性问题。
本节只讨论轴向返混很小的管式反应器热稳定性问题。
对于返混很小的管式反应器，当局部受到干扰时，必然 会引起相应的温度变化，该温度变化将会影响反应器下 游的工作状态，最终波及反应器出口。
B、不稳定定态
微小干扰就足以使反应器操作状态偏离原定状态，即 使扰动消除，系统也不能恢复到原来状态。
CSTR内各参数均一，数学处理简单。 本章首先讨论CSTR的热稳定性，再讨论PFR的稳定 性及参数敏感性，并阐述热稳定性和参数灵敏性的 一些基本概念。
[学习目的]
了解热稳定性和反应器参数的灵敏性。
[重点与难点]
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？
3、再生时催化剂破碎
再生方法可能影响催化剂强度，使催化剂床层中出现粉尘。 在随后的操作中，粉尘对于某些未知的放热副反应 会起催化作用，致使发生剧烈温升，有时甚至导致 反应器发生事故。
操作方法：
改进再生的方法来预防粉尘的生成； 每次再生后将催化剂筛一下，将粉尘取出反应器。
4、有危险的反应
有些催化反应，具有明显的危险性，有的对温度敏感， 有的会产生有危险的副反应，有的甚至在没有明显诱 因的情况下，也会发生爆炸。 设计师：保证压力容器的设计方面和制造方面，或者 是再生方面的问题。
由于返混很小，故该扰动对于反应器上游影响甚微；且 会向下游方向移动，最终到达出口排出，排除后，反应 器又恢复到原来由上游工况所决定的状态。
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。
在图中，对于稳定定态点M及P，有：
移热线斜率>放热线斜率，即： 定态操作的必要条件
dqr dqg dT dT
随着操作条件的改变，定态温度也将改变。
定态温度突然升高的点，称 为着火点；
定态温度出现突降的点，称 为熄火点。 着火与熄火现象对于反应 器操作很重要，特别是开 停工的时候。
定态点数目的多少，取决于化学反应的特征和 反应器的操作条件，如进料温度和流量，反应 器与环境的换热情况等。
为了安全，常常将反应器放在屏障或钢筋混凝土墙的 后面，反应器的操作和控制在远距离处进行。 爆炸的可能性导致保险费用提高，从而提高了化工产品 的成本。
在前几章中讨论过，反应速率随温度呈非线性函数， 而传热速率随温度呈线性关系。
因此，进料组成或温度的任何波动，都可能引起反应 放热与所排出的热量不相适应的情况，从而引起反应 器内操作状态的变化。
外部干扰可能使反应器出现以下两种情况： A、稳定定态 反应器本身热稳定性良好，外部干扰不会引起系统操 作状况大的变化，反应仍可在接近最佳状态下运行。 一旦干扰排除，则马上又恢复到原定常态下运行。
催化反应器发生事故的原因：
1、机械制造上的缺陷
例如，焊缝的焊接不良等 （焊接工人的失误或管理不善、检验不严等原因）。 这类事故往往没有先兆，但是可以避免的。
2、催化剂再生时温度过高，超过额定值 对于器内再生催化剂的反应器，应满足： 稳定过程及催化剂再生阶段的温度和压力
记录再生温度：保证及时发现温度过高，避免反应器 在壳体强度降低的情况下返回正常操作； 不在器内再生：即反应器的设计可以只满足稳态操 作过程即可。
V0 c pt UAh
A
BD
E
而放热速率为一S形曲线。
TM
TN
TP
T
三个定态点除了温度和转化率不同外，其稳定性
（反应器操作受到外来干扰后的自衡能力）也有差别。
例如，进料温度波动，会引起反应温度波动，从而使 反应器操作偏离原来的状态。当进料温度恢复正常后， 如果反应温度能恢复到原来的定态温度，则称为稳定 的定态点，如果不能，则称为不稳定的定态点。
全混流反应器和管式反应器的热稳定性。
第一节 全混流反应器的热稳定性
一、CSTR的热量衡算 过程焓变：
H V0 c pi (T T0 ) (H r )T0 (rA )VR
物系与环境交换的热量为： q UAh (TC T )
热量衡算式：
V0 c pi (T T0 ) (H r )T0 (rA )VR UAh (TC T )