第九章反应器热稳定性优秀课件

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
式（9.1-7）所表示的放热速率关于温度T是一条Baidu NhomakorabeaS”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，转化率xN> xP>
xM。
在这三点中， M、N 是稳 定态的操作点，P点是不 稳定的操作点。
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）
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。
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
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。
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）
（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;
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。
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
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：
（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
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。
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。
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)