反应器稳定性与非等温反应器设计(课件)
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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
Qr
E
F Qg
D
AB
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 定态点E：
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
Qr
E
F Qg
D
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 不稳定的定态点 A B
Qr
E
F Qg
D
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 稳定性判剧： Q • Qg=Qr
dQr dQg dT dT
为稳定的必要条件
dQr dQg dT dT
不稳定的充分条件
AB
Qr
E
F Qg
D
C
T
操作参数对多重定态的影响
移热速率
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
移热速率
v0
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
产热速率
Qg (Hr )kC AVR
Tc
一级反应:V0(CA0-CA)=VRkCA
CA
C A0
1 k
v0
Qg
(Hr )VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
全混流反应器的多重定态
改变进口温度或 冷却介质温度
Qg不变而Qr平移 D点为着火点或 起燃点
F点为熄火点
D、F间无稳态操 作点
Q
A BC
Qr
FG
H I Qg
E
D
T
操作参数对多重定态的影响
• 进料量的影响 Qr
Qr ' (1 I )T (T0 ITc )
Qg
'
J
1
k0 exp( E / RT ) k0 exp( E / RT
反应器的定态及稳定性
• 定常态设计：
– 确定的物料流量、组成和温度； – 确定的釜内温度和浓度； – 确定的换热剂温度和流量
• 稳定定态操作
– 外部干扰使反应器的操作偏离了定常态，但能很快恢复
• 不稳定的定态操作
– 外部干扰使反应器偏离原有的定态操作，扰动消除后不 能回到原有状态
全混流反应器的多重定态
Qr ' (1 I )T (T0 ITc )
产热速率
Qg
(Hr
)VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
Qg
'
J
1
k0 exp( E / RT ) k0 exp( E / RT
)
I hA v0C p
J HrCA0 Cp
操作参数对多重定态的影响
E ABC D
H I
T
操作参数对多重定态的影响
进料浓度的影响： 增大进料浓度， Qr 反应速率加快， 放热速率加快， 因而生热曲线变 陡。
CA01 CA02
CA01>CA02
T
小结
• 掌握全混流反应器稳定性的分析 • 掌握全混流反应器操作条件对稳定性的影响
生热线右移
ABC
T
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响： 增大进料量，移 Qr
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，放 热量减少，生热 线右移
E BC D
H
T
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响： 增大进料量，移 Qr
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，放 热量减少，生热 线右移
–搅拌充分混合,温差小 –釜内反应物浓度低,反应速率慢,放热慢 –适用于强放热反应
• 多段床反应器
–段间冷却 –段间冷激
• 采用稀释剂降低反应速率
反应器的温度控制
• 蒸发产品或惰性溶剂移热
– 以乙酸为溶剂的对二甲苯氧化 – 甲苯液相空气氧化
• 自热操作
– 合成氨反应器催化剂床层预热原料气
• 采用稀释剂降低反应速率 • 副反应严重的反应采用“淬冷”
• 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
Qr
E
F Qg
D
AB
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 定态点E：
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
Qr
E
F Qg
D
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 不稳定的定态点 A B
Qr
E
F Qg
D
C
T
全混流反应器定态点的稳定性
• 稳定性判剧： Q • Qg=Qr
dQr dQg dT dT
为稳定的必要条件
dQr dQg dT dT
不稳定的充分条件
AB
Qr
E
F Qg
D
C
T
操作参数对多重定态的影响
移热速率
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
移热速率
v0
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
产热速率
Qg (Hr )kC AVR
Tc
一级反应:V0(CA0-CA)=VRkCA
CA
C A0
1 k
v0
Qg
(Hr )VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
全混流反应器的多重定态
改变进口温度或 冷却介质温度
Qg不变而Qr平移 D点为着火点或 起燃点
F点为熄火点
D、F间无稳态操 作点
Q
A BC
Qr
FG
H I Qg
E
D
T
操作参数对多重定态的影响
• 进料量的影响 Qr
Qr ' (1 I )T (T0 ITc )
Qg
'
J
1
k0 exp( E / RT ) k0 exp( E / RT
反应器的定态及稳定性
• 定常态设计：
– 确定的物料流量、组成和温度； – 确定的釜内温度和浓度； – 确定的换热剂温度和流量
• 稳定定态操作
– 外部干扰使反应器的操作偏离了定常态，但能很快恢复
• 不稳定的定态操作
– 外部干扰使反应器偏离原有的定态操作，扰动消除后不 能回到原有状态
全混流反应器的多重定态
Qr ' (1 I )T (T0 ITc )
产热速率
Qg
(Hr
)VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
Qg
'
J
1
k0 exp( E / RT ) k0 exp( E / RT
)
I hA v0C p
J HrCA0 Cp
操作参数对多重定态的影响
E ABC D
H I
T
操作参数对多重定态的影响
进料浓度的影响： 增大进料浓度， Qr 反应速率加快， 放热速率加快， 因而生热曲线变 陡。
CA01 CA02
CA01>CA02
T
小结
• 掌握全混流反应器稳定性的分析 • 掌握全混流反应器操作条件对稳定性的影响
生热线右移
ABC
T
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响： 增大进料量，移 Qr
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，放 热量减少，生热 线右移
E BC D
H
T
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响： 增大进料量，移 Qr
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，放 热量减少，生热 线右移
–搅拌充分混合,温差小 –釜内反应物浓度低,反应速率慢,放热慢 –适用于强放热反应
• 多段床反应器
–段间冷却 –段间冷激
• 采用稀释剂降低反应速率
反应器的温度控制
• 蒸发产品或惰性溶剂移热
– 以乙酸为溶剂的对二甲苯氧化 – 甲苯液相空气氧化
• 自热操作
– 合成氨反应器催化剂床层预热原料气
• 采用稀释剂降低反应速率 • 副反应严重的反应采用“淬冷”