第九章反应器热稳定性优秀课件
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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
化学反应工程原理-副本第九章 热量传递与反应器的热稳定性
第九章热量传递与反应器的热稳定性
1.如何区分反应过程中的反应与传热的交联作用所产生的热稳定性问题和参数灵敏性问题？
2.
2.作出催化剂颗粒放热曲线和移热曲线，说明哪些点是稳定点，哪些点是不稳定点？稳定的条件是什么？
3. 作出催化剂颗粒放热曲线和移热曲线，说明哪些点是催化剂颗粒临界着火点，催化剂颗粒临界着火的条件是什么？哪些点是催化剂颗粒临界熄火点？催化剂颗粒临界熄火的条件是什么？
4. 如图所示，当工艺条件要求催化剂颗粒必须操作在B点上，必须采用什么途径实现稳定操作，请说明理由，并在图中标出反应物主流体温度。
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。
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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。
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℃
《热稳定剂》PPT课件
常用的铅稳定剂
4.3.2 金属皂类稳定剂
金属皂指高级脂肪酸的金属盐 O
M O C Rn
金属皂指硬脂酸，月桂酸，棕榈酸等的钡、镉、铅、 钙、锌、镁、锶等金属盐。
芳香族酸、酚、醇的金属盐类也属于此类。苯甲酸、 水杨酸、环烷酸、烷基酚等的金属盐类。
制备方法
直接法
O
O
1 3 0 ～ 1 4 0 ℃
金属原子配位数不同，具体的反应式不同，例Zn是四配位
O
O
R
Zn
R + HCl
O
O
O
R
Zn + HO2CR
O
+
Cl 有一个空轨道
Cl Cl
Zn
O
O
可结合一个烯炳基氯起到另一层稳定作用
R
3 酯基的形成
O
Cl
R
Zn
+
O Cl
Cl
O
R
Zn
O
Cl
O O
R
+
ZnCl2
4 交联反应
氯化氢被捕获后，两个降解的链相互交联，就破坏了共轭体系，达到提 高热稳定性的目的
4.3.1 合成材料的热降解
当高分子材料受热达到键的断裂，即发生了热降解。
三种表现形式。
热降解的形式
非链断裂降解 随机链断降解 解聚反应
热降解三种表现形式
1 非链断裂降解（最常见形式）
从高分子链上脱下小分子，(如 HCl,NH3,H2O,HOAc 等)导致材料性能的变化为非链断裂降解（改变链结构， 链未断裂）
（3）有机锡类的作用机理
1 捕获HCl 2 分解过氧化物 3 捕获自由基 4 与不稳定氯原子反应
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
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
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
化学物质热稳定性评价PPT课件
＞800 400-800 100-400 ＜100
表征热稳定性的参数
2 热稳定性的表征
失控反应可能性的评估准则
简化的三等级
扩展的六等级
最大温升速率时间(h)
高的（high）
频繁发生的（frequent）
＜1
很可能发生的（probable）
1-8
中的（medium）
偶尔发生的（occasional）
表征热稳定性的参数
2 热稳定性的表征
简化的三等级
失控反应严重度的评估准则
扩展的四等级
绝热温升(K)
反应热(J/g)
Байду номын сангаас
高的（high）
中等的（medium ）
低的（low）
灾难性的（ catastrophic）
危险的（critical ）
中等的（medium ）
可忽略的（ negligible）
＞400 200-400 50-200 ＜50且无压力
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）
2 热稳定性的表征
怎样估算
3 热稳定性的评价方法
❖ （1）氧平衡
氧平衡表示反应物分子中的氧化元素用来完全氧化本身所 含可燃元素为完全氧化产物时所剩余或不足的氧化元素量。对 于组成CaHbOcNd的反应物，有
式中M为反应物相对分子质量 正氧平衡 c-(2a+b/2) ＞0 零氧平衡 c-(2a+b/2) ＝ 0 负氧平衡 c-(2a+b/2) ＜ 0
最新化学反应工程原理——热量传递与反应器的热稳定性
参数灵敏性和热稳定性是两个不同的概念。
9
9.2 催化剂颗粒的热稳定性
10
9.2.1 催化剂颗粒的定态温度
反应放热速率
Qg (H r ) RVp
T低时，过程为反应控制
n b
Qg (H r )kC Vp
T高时，过程为扩散控制
Qg (Hr )kg aCbVp
放热速率是一条S形曲线
Pr ( ) 1 Sc
TM Tad
30
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
31
A.一级不可逆放热反应
对组分A作物料衡算：
vCA0 vCAf VRkCAf
C A0 C Af 1 k
32
反应过程的放热速率：
Qg (H )kCAf VR
当Tc，热稳定 当Tc，TcTc3， c3a3，热不稳定
Tc下降受到热稳定性限制
42
Tc下降的最大极限：
dQg
dQr dT dT
Qr (UA vcp)(T Tc )
Qg (H )kCAf VR
43
CSTR最大允许温差：
Tmax (T Tc )max RT 2 CA0 E CAf
反应器恢复到原来的热平衡状态
反应器热稳定
反应器不能恢复到原来的热平衡状态
反应器热不稳定
平衡有两种：
稳定的平衡、不稳定的平衡
5
反应器的稳定对反应器操作有极为重要
如果反应器是稳定的，扰动消失后它能自动 返回原来的平衡状态，也无需对温度进行专 门的调节。 如果反应器是不稳定的，则必需增设附加的 调节装置使它回到原来的平衡状态，否则它 将自动地愈离愈远而无法正常操作。
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。
生物反应工程原理 PPT课件
第九章 生物反应工程原理
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
rP (rS )
k cat e[S ] rP,max [S ] K S [S ] K S [S ]
（9-12）
式中：rS——底物的消耗速率(负号表示减少)； rP——产物的生成速率； KS——平衡常数KS=k-1/k+1，其又称饱和常数(saturationconstant)。 利用稳态法求解(9-12)式，在这段时间里，生成速率与消耗速率相等， 达到动态平衡，即所谓“稳态”。基于此，可获得如下米氏方程：
9.2 酶促反应动力学
酶和细胞的固定化技术
固定化技术是针对在实际应用中，无论采用何种操作方式，酶都 难以回收利用的问题而研究开发的新技术。 酶的固定化会引起酶性质的改变。主要表现在： ① 底物专一性的改变 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的 底物特异性发生变化，导致底物专一性改变。 ② 稳定性增强 一般来说，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保 存和使用稳定性的增加。 ③ 动力学常数的变化 米氏常数的减小，对固定化酶的实际应用是很有利的，可保证反应进 行得更完全。固定化酶的催化反应中，若有扩散阻力，则表观米氏常 数变大。
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
rP (rS )
k cat e[S ] rP,max [S ] K S [S ] K S [S ]
（9-12）
式中：rS——底物的消耗速率(负号表示减少)； rP——产物的生成速率； KS——平衡常数KS=k-1/k+1，其又称饱和常数(saturationconstant)。 利用稳态法求解(9-12)式，在这段时间里，生成速率与消耗速率相等， 达到动态平衡，即所谓“稳态”。基于此，可获得如下米氏方程：
9.2 酶促反应动力学
酶和细胞的固定化技术
固定化技术是针对在实际应用中，无论采用何种操作方式，酶都 难以回收利用的问题而研究开发的新技术。 酶的固定化会引起酶性质的改变。主要表现在： ① 底物专一性的改变 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的 底物特异性发生变化，导致底物专一性改变。 ② 稳定性增强 一般来说，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保 存和使用稳定性的增加。 ③ 动力学常数的变化 米氏常数的减小，对固定化酶的实际应用是很有利的，可保证反应进 行得更完全。固定化酶的催化反应中，若有扩散阻力，则表观米氏常 数变大。
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
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（9.1-1）
已知：Q in V 0 c p T 0 Q out V 0 c p T
Q r ( r A )( H r )V R Q u KA (T C T )
T0、T、TC—分别为反应器 进口、出口及冷却介质温 度，K;
ρ—物料平均密度，kg/m3;
Qb 0
K—总传热系数，J/m2.K;
在B点附近操作时，很容易产生 迅速降温现象，造成反应终止。
T
B
GA
TA
E D
F
T0 TD
其它参数的改变，也可能造成定态操作点的改变， 如：换热介质温度、进料流量的改变。
9.2 管式反应器的热稳定性
管
式 轴向返
反 应
混程度
器
很大 全混流反应器
热稳定 性如前 所述
较小
该扰动对上游影响很小，对下游的影 响最终到达出口而“排出”。整个反 应器又恢复到上游工况所决定的状态。
是
P
qr < qg， T升高，qr >qg， T降低，
移动到点N。 移动到点M。
否
N
qr > qg，T降低， qr <qg，T升高，
回到点N。 回到点N。
是
特点
dqr dqg dT dT dqr dqg dT dT dqr dqg dT dT
所以，热稳定性的条件是：
qr qg dq r dq g dT dT
径向的传热
轴向的传热
若不考虑轴向的热量传递时，上式可简化为：
r[ r 2T 21 r T r] ( rA)1 (B) ( H r)
边值条件r为0： r dt 2
dT0 dr T TW
（9.2-2）
若动力学方程为：
(RA)f(cAS )k0e
xpE() RT
（9.2-3）
并将式中变量改用无因次量表示：
q
qr qg
N
P
M T
图9-1 全混流反应器的定态操作温度
？稳定性：指反应器操作过程中受到 外界干扰后的自衡能力。
q
qr qg
N
1、点M、P、N自衡能力分析
M、P、N点共同特性
qr qg
P M
T
操作点
热扰动
T升高
T降低
？热稳定性
M
qr > qg，T降低， qr <qg，T升高，
回到点M。
回到点M。
Z r dt 2
dZ dr dt 2
TTW
RW 2T E
令 4 E R t2 W 2d T k r 0f(c A)S ex R E p W )T ( (H r)1 (B )（9.2-4）
则式（9.2-2）可化简为：
d21dexpE([TWT)]
d2Z ZdZ
R TW T
（9.2-5）
这类反应器不会造成整体的多态操作和不稳定 性,是局部稳定性问题。
！！！对于具有良好壁面传热的管式反应器，传热方式主 要是径向，轴向传热可以忽略。
9.2.1 径向传热管式反应器的热量衡算
根据二维拟均相模型：
r [ r 2 T 2 1 r T r ] L L 2 T 2 u c p T L ( R A )1 (B ) ( H r )（9.2-1）
T随T0的变化曲线是GAFBDE
T
DE
进料T0 温度变化路径 特殊点 特点
从G点 升温
从E点 降温
GAFDE EDBAG
着火点F F点T陡升 熄火点B B点T陡降
B GA
F
T0
注意：
当进料温度在TA~ TD范围内时， 产生放热反应多定态现象（吸热反应 只有一个定态）。
在F点附近操作时，很容易产生 超温现象，造成烧毁催化剂，或燃烧 爆炸等事故现象。
按定常态条件，即规定了进料流量、组成和温度；反应 器内物料浓度、温度、冷却或加热介质的温度、流量不随时 间发生变化。
实际生产过程中
上述诸参数不可能恒定不变，当出现某种干扰时，生产 能否在最佳或接近最佳条件下进行，是值得重视的问题。
外 部 的 造成 干 扰
稳定的定态：反应器本身的热稳定性良好，外部干扰不 会造成系统操作状况大的变化，一旦干扰除去，反应又 恢复到原来的定常态下操作。
若作近似处理：TW T
TTW
TW T TW2
可得：
d21dexp][
化学反应工程
化学工程及工艺教研室 魏刚
第九章反应器热稳定性
Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology
9 反应器的热稳定性和参数灵敏性
9.1 全混流反应器的热稳定性 9.2 管式反应器的热稳定性 9.3 反应器参数的灵敏性
连续流动反应器的设计
所以，热量衡算式为：
V 0c p ( T T 0 ) ( r A ) ( H r ) V R K ( T C A T )
（9.1-2）
9.1.2 全混流反应器的定态
对于一级不可逆放热反应，式（9.1-2）可以分为移热速 率和放热速率两部分：
移热速率： qr V0cp(TT0)K(A TTC)
不稳定的定态：微小的干扰，足以使反应器的操作状态 偏离原来的定态 ，即使干扰消除，系统也不能恢复到 原来的状态。
9.1 全混流反应器的热稳定性
9.1.1 全混流反应器的热量衡算
全混流反应器为一敞开体系，对于定态操作，以进料温度T0 为基准温度，由式（3.1-2)得热量衡算式为：
Q in Q r Q u Q o u Q b t
（9.1-8） （9.1-9）
2、定态操作点的改变
定态的操作点会随着条件的改变而发生变化。
如图9-2所示：在TC恒定时，将qr 、 qg按式（9.1-2）合并成：
T 0TKV (0 T A cp T C)V (0 1 c A 0k ( 0 e H rx ) k0 E p e R (x )T V )E p 0R c(p)T
放热速率： qg(rA) (Hr)VR
（9.1-3） （9.1-4）
物料衡算式为： F A0xAfVR(rA)
又根据设计方程式：
xAf
k 1 k
所以：
qg V0cA01( kHr)kV0cA01( kH 0re)kx0epEx(RpE )T(R)T
（9.1-5） （9.1-6）
（9.1-7）
式（9.1-3）可知：移热速率是关于温度T的一条直线。
式（9.1-7）所表示的放热速率关于温度T是一条“S”型的曲线。
移热速率qr 和 放热速率qg
相交于点M、P、N。
在M、P、N点处，由于
qr= qg，所以称为定态操
作点。 在这三点处，温度TN> TP> TM，转化是稳 定态的操作点，P点是不 稳定的操作点。