化学反应工程课件-第五章-1

定态温度与流量关系
增加流量，定态点 a→b→c→d. d点为不 稳定的定态点，d突变 点，起燃点
缓慢减小流量，定态点 i→h→g→f, f点突变， 熄火点
Q
hi g
f e
qr (1 I )T (T0 ITc )
qr
Qr v0C p
I hA v0C p
产热速率
Qg
(Hr )VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
qg
J
k0 exp(E / RgT ) 1k0 exp(E / RgT )
qg
Qg v0C p
J H rcA0 Cp
College of Chemical Engineering, Sichuan University
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
反应器的温度控制
反应器的定态及稳定性
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
定态的稳定性问题
反应器的定态及稳定性
定态的稳定性：当输入参数产生一个微小 的扰动并回到原参数值时，系统输出参数 随时间变化趋于原定态值
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
c0 ,T0
c ,T t=0, c0+c, T0+T t>0, c + c, T + T
qg
J
k0 exp(E / RgT ) 1k0 exp(E / RgT )
qg
Qg v0C p
J H rcA0 Cp
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
Qg
(Hr )VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
反应器的定态及稳定性
换热式管式反应器的设计
复习
物料带进带出热量:
FiCpidT
微元内反应放热量: rA (Hr )dV
微元内换热量: ha(Ta T )dV
FiCpidT ha(Ta T )dV rA(Hr )dV
平衡转化率
可逆放热反应: 温度升高,反应速度加快,平衡转化率降低,
最高转化率：反应平衡线和能量平衡线交点，段间换热式多段绝热反应器 和段间冷激式
采用全混流反应器
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
反应器的温度控制
反应器的定态及稳定性
多段床反应器 段间冷却 段间冷激
自热操作 合成氨反应器催化剂床层预热原料 气 (480-500 degree)
采用稀释剂降低反应速率
ห้องสมุดไป่ตู้
反应器的定态
反应器的定态及稳定性
操作定态： Qg=Qr
定态数： 最多三个 最少一个
Q
Qr
E
F Qg
D
AB
C
T
反应器的定态及稳定性
全混流反应器定态点的稳定性
定态点E：
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
Q
Qr
E
F Qg
D
AB
C
T
反应器的定态及稳定性
全混流反应器定态点的稳定性
Qg
'
J
1
k0 exp( E / RT ) k0 exp( E / RT
)
进料量小时的情况
A
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
操作参数对多重定态的影响
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响：
增大进料量，移热线斜 Qr
率减小，移热线右倾斜
F
接触时间缩短，转化率 降低，放热量减少，生 热线右移
1 k0 exp( E / RT )
全混流反应器的多重定态 反应器的定态及稳定性
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
qr (1 I )T (T0 ITc )
qr
Qr v0C p
I hA v0C p
Qg
(Hr )VRC A0
k0 exp( E / RT )
1 k0 exp( E / RT )
全混流反应器的多重定态 反应器的定态及稳定性
产热速率
Qg ( H r )kC AVR
v0
移热速率
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
Tc
一级反应: v0(CA0-CA)=VRkCA
CA
C A0
1 k
V
v0
v0
Qg
(Hr )VRC A0
k0 exp( E / RT )
A
B
Qg
(Hr
)VRC A0
1
k0
exp(E / RT) k0 exp(E / RTT)
操作参数对多重定态的影响
操作参数对多重定态的影响
进料量的影响：
Qr
增大进料量，移热线斜
率减小，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
G F
E
BC D
H
T
进料量的影响
操作参数对多重定态的影响
操作参数对多重定态的影响
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
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
Q
Qr
F
G
H I Qg
E
A BC
D
T
操作参数对多重定态的影响
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 )
F Qg
D
AB
C
T
反应器的定态及稳定性
全混流反应器定态点的稳定性
稳定性判剧：
Qg=Qr
dQr dQg
Q
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
操作参数对多重定态的影响
移热速率
Qr v0C p (T T0 ) hA(T Tc )
定态点B：
温度高于定态点
Qg<Qr
Q
可回到定态点
温度低于定态点
Qg>Qr 可回到定态点
Qr
E
F Qg
D
稳定的定态点
AB
C
T
反应速度慢，无意义
反应器的定态及稳定性
全混流反应器定态点的稳定性
定态点D：
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
不稳定的定态点
Q
Qr
E
定态：体系平衡状态
系统参数不随时间变化
dc/dt=0
dT/dt=0
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。
多重定态
反应器的定态及稳定性
连续流动的反应器处于定态的 条件：物料流动的平衡和能量 的平衡
确定的进料状态、环境状态 不同的反应状态和出料状态