全混流反应器的热稳定性59页PPT
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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
全混流反应器的热稳定性
全混流反应器的热稳定性
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
v c v c Vkc 0 T A 0 T A A
UA ( H ) R ( T T ) ( T T ) k c 0 c A v c v c T p T p
dQ dQ g r dT dT s s
dQ r Q r Q r s T dT s dQ g Q g Q g s 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
增大UAR，同时提高Tc，使直线和曲线只存在一个交点
dQ g UA R 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
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：
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
Q T T N T T 1 N T T NT r 0 c 0 c
全混流反应器的热稳定性
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
热量传递与反应器的热稳定性 化学反应工程 课件
Chemical Reaction Engineering
9.4 管式固定床反应器的热稳定性
入口
气固相催化反应-强放热 结构：与列管式换热器相似
出口
T
热点：TH，ZH
反应结果：β，φ To
Z
Chemical Reaction Engineering 一、管式固定床反应器的热稳定条件
取微元 Vr
Qg (H)(1b )kCnVr
C
S形曲线
Qr UA(T Tc ) vCp(T T0 )
B
Qr (UA vCp)(T Tc )
线性
A
Tc
T
Chemical Reaction Engineering
二、CSTR的热稳定性 定态条件 Qg Qc 热稳定条件 dQg dQr
dT dT
A，C 点是稳定点，B点是不稳定点
Chemical Reaction Engineering •自热式固定床反应器
T0 Tf T0
本质—热反馈 •引起“着火”或“熄火” •操作控制要求高 •适用于放热量和预热量相当的系统
Chemical Reaction Engineering
结论： 管式固定床反应器设计操作 • ΔT要求小，冷却介质温度要高 • 管径要细 Φ25，最小Φ19 • 受E、T约束
(T
Tc )max
RT 2 E
要求满足热稳定：气固相，热容小，变化灵敏 与CSTR不同：（气）液相，热容大，滞后，可控
局部稳定性—颗粒、微元 整体稳定性—存在热反馈
Tb
Tb0
(H
Cp
)
(Cb0
Cb )
Tad
(H )Cb0
Cp
绝热床适用于ΔTad〈 200℃
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
+
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
反应器稳定性与非等温反应器设计(课件)
复习
• 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
• 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
第九章、热量传递与反应器的热稳定性课件
24
以Qg—T作图为一S形曲线，如下图示。 反应过程的移热速率：
假设T0=Tc，且ρ 、Cp不随温度变，则： 以Qr—T作图为一直线。
25
26
二、全混釜的热稳定性 A 、B 、C三点均为满足热平衡条件的定态点。
A点： 当有扰动使T略大于TA 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到a点。当有扰动使 T略小于TA 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热速率，体系温度 上升，自动恢复到A点。
催化剂与颗粒间的传热速率为：
15
催化剂在临界着火条件下的特征为： 在临界着火点处，反应温度较低，其极限反应速率远远小于
极限扩散速率，固可近似认为： CS=Cb ,则有： 将上式对Ts求导数：
16
将
代入：
对TS求导数得：
得：
又据：
两式相除得：
17
在临界着火点： TS=TSi , Tb=Tig 固有：
率小于放热速率，体系继续温度上降，直至到C点；
当有扰动使T略小于T B 时，有Qr＞Qg ，移热速率大于放热 速率，体系温度继续下降，直至到A点。此点为不稳定点。
11
C点： 当有扰动使T略大于Tc 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到C点； 当有扰动使T略小于TC 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热
致反应温度和反应结果的剧烈变
化，灵敏性很高。 o
37
同样，在D点操作时，若传热系数U增大，其Qr线的斜率会 相应增大，操作点会由原D点移至E点，表现出极大的灵敏性。
若在E点操作， TC升高时， Qr线会右移，操作点会从E点升 至D’ 点；另外， U减小， Qr线的斜率会相应减小，也会造成操作 点的移动，使温度剧升，此现象称为“飞温”。
以Qg—T作图为一S形曲线，如下图示。 反应过程的移热速率：
假设T0=Tc，且ρ 、Cp不随温度变，则： 以Qr—T作图为一直线。
25
26
二、全混釜的热稳定性 A 、B 、C三点均为满足热平衡条件的定态点。
A点： 当有扰动使T略大于TA 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到a点。当有扰动使 T略小于TA 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热速率，体系温度 上升，自动恢复到A点。
催化剂与颗粒间的传热速率为：
15
催化剂在临界着火条件下的特征为： 在临界着火点处，反应温度较低，其极限反应速率远远小于
极限扩散速率，固可近似认为： CS=Cb ,则有： 将上式对Ts求导数：
16
将
代入：
对TS求导数得：
得：
又据：
两式相除得：
17
在临界着火点： TS=TSi , Tb=Tig 固有：
率小于放热速率，体系继续温度上降，直至到C点；
当有扰动使T略小于T B 时，有Qr＞Qg ，移热速率大于放热 速率，体系温度继续下降，直至到A点。此点为不稳定点。
11
C点： 当有扰动使T略大于Tc 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到C点； 当有扰动使T略小于TC 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热
致反应温度和反应结果的剧烈变
化，灵敏性很高。 o
37
同样，在D点操作时，若传热系数U增大，其Qr线的斜率会 相应增大，操作点会由原D点移至E点，表现出极大的灵敏性。
若在E点操作， TC升高时， Qr线会右移，操作点会从E点升 至D’ 点；另外， U减小， Qr线的斜率会相应减小，也会造成操作 点的移动，使温度剧升，此现象称为“飞温”。
化学反应器的热稳定性和参数灵敏性
△T<0时，Qg<Qr，反应温度会继续下降；
故此定态点是不稳定的。
3、全混流反应器的着火和熄火
由于存在多重定态，在操作条件连续变化的过程中，反应
器操作状态可能存在突变。当停留时间不变时，进料温度的变
化只会导致移热线左右平移，如下图所示。
当进口温度为Ta时， Q 点1为唯一定态点。进 口温度逐渐升高时，
反应器的放热速率Qg。要使反应器的反应达到定态，则必须 有移热速率等于放热速率，即
Qr Qg
由（3）式可得
Qr (1 N )T (T0 NTc ) （4）
由上式可知，移热速率与反应温度呈线性关系，斜率为
（1+N），截距为—（T0+NTc）。
下图为进料流量一定而进料温度或冷却介质不同时的移热曲 线，斜率不变，故各直线平行，随着进料或冷却介质温度降低， 移热线向左移动。
线斜率：
dQr dT
s
dQg
dT
s
对此可做如下分析，当温度产生微小变化△T时，移热量和
发热量的变化可表示为：
Qr
(Qr )s
( dQr dT
)s T
Qg
(Qg )s
( dQg dT
)s T
又由（4）式（5）式得
dQr 1 N dT
dQg dT
Tad
E RT 2
k0e
E RT
(1
T
存在多个定态点。熄火
状态转化率很低，一般 反 应
不会采用。着火状态和
温 度
中间状态则由反应的特
征决定是否采用。
8
9
7
6
5
4
1
23
Ta
Tb Tc Td
56-chap-9-反应器的热稳定性和参数灵敏性(ppt,课件)
9 反应器的热稳定性与参数灵敏性
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：
一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！
2
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
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。
8
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
9
稳定性讨论：
1
x
A
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
k0e RT 1 xA
E
xA
k0e RT
E
1 k0e RT
VR V0
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
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：
一般，热稳定条件要比热平衡条件苛刻得多！
2
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
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。
8
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
9
稳定性讨论：
1
x
A
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
k0e RT 1 xA
E
xA
k0e RT
E
1 k0e RT
VR V0
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
青海大学《化学反应过程》第三章2
（2）两个等体积理想反应器组合
（3）一级不可逆反应
（4）V0,,，CA0相同 问题：不同组合下，出口浓度如 何？
全混流反应器：VR
V0 (CA0 CAf k CAf
)
CAf
CA0 1 k VR
V0
平推流反应器：VR
V0
CAf dCA
k C C A 0
A
V0 k
ln
C Af
CA1
1 CA1k
0.380
xAf
CA0 CAf CA0
0.620
讨论：对二级不可逆反 应，两种组合最终转化 率不相同，在本题条件 下，平推流在前优于全 混流在前。
3.4.2 理想流动反应器的体积比较
如果在这些理想反应器中进 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。 这几种反应器所需的体积是 否相同呢?
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
(1) 间歇反应器与平推流反应器体积比较 如果间歇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。则两者的体积是相同的(未考虑间歇反应器 的辅助时间)，这是因为它们均不存在返混。
（3）一级不可逆反应
（4）V0,,，CA0相同 问题：不同组合下，出口浓度如 何？
全混流反应器：VR
V0 (CA0 CAf k CAf
)
CAf
CA0 1 k VR
V0
平推流反应器：VR
V0
CAf dCA
k C C A 0
A
V0 k
ln
C Af
CA1
1 CA1k
0.380
xAf
CA0 CAf CA0
0.620
讨论：对二级不可逆反 应，两种组合最终转化 率不相同，在本题条件 下，平推流在前优于全 混流在前。
3.4.2 理想流动反应器的体积比较
如果在这些理想反应器中进 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。 这几种反应器所需的体积是 否相同呢?
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
(1) 间歇反应器与平推流反应器体积比较 如果间歇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。则两者的体积是相同的(未考虑间歇反应器 的辅助时间)，这是因为它们均不存在返混。
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