化学反应工程原理热量传递与反应器的热稳定性省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第九章 热量传递与反应器热稳定性1第1页n特点n不能忽略，有时比传质影响严重n反应过程热量传递按其尺度分为两类：n颗粒尺度热量传递 催化剂与流体n设备尺度热量传递 反应器与冷却介质热量传递过程对化学反应过程影响2第2页n换热过程传热n单纯传热，无化学反应n反应器传热n反应过程和传热过程相互交联作用n化学反应器传热出现两个新问题n热稳定性和参数灵敏性反应器中传热与换热过程中传热区分反应器中传热与换热过程中传热区分3第3页9.1 热稳定性和参数灵敏性概念n定态定常状态n反应器处于热平衡状态，反应器各处温度不随时间改变。n扰动n各种偶然原因引发反应参数波动n自然变动，非人为调整4第4页n扰动产生后会出现两种情况：n反应器恢复到原来热平衡状态n反应器不能恢复到原来热平衡状态n平衡有两种：n稳定平衡、不稳定平衡反应器热稳定反应器热不稳定5第5页n假如反应器是稳定，扰动消失后它能自动返回原来平衡状态，也无需对温度进行专门调整。n假如反应器是不稳定，则必需增设附加调整装置使它回到原来平衡状态，不然它将自动地愈离愈远而无法正常操作。反应器稳定对反应器操作有极为主要反应器稳定对反应器操作有极为主要热稳定性：热平衡状态抗扰动能力6第6页放热反应存在反应器热稳定性问题放热反应存在反应器热稳定性问题反应T(-rA)放热速率反应T(-rA)吸热速率反应T放热反应吸热反应7第7页参数灵敏性参数灵敏性n参数作微小调整时，反应器内温度或反应结果将会有多大变。n灵敏性，参数调整精度要求，反应器操作困难。n参数灵敏性和热稳定性是两个不一样概念。8第8页怎样区分反应过程中反应与传热交联作用所产生热稳定性问题和参数灵敏性问题？n假如反应器是稳定，扰动消失后它能自动返回原来平衡状态，也无需对温度进行专门调整。假如反应器是不稳定，则必需增设附加调整装置使它回到原来平衡状态，不然它将自动地愈离愈远而无法正常操作。n热稳定性是热平衡状态抗扰动能力。n灵敏性是参数作微小调整时，反应器内温度或反应结果将会有多大变。灵敏性增加，参数调整精度要求增加，反应器操作困难增加。n参数灵敏性和热稳定性是两个不一样概念。9第9页9.2 催化剂颗粒热稳定性10第10页9.2.1 催化剂颗粒定态温度n反应放热速率nT低时，过程为反应控制 nT高时，过程为扩散控制n放热速率是一条S形曲线11第11页n反应热移走方式：n颗粒与流体传热对流，唯一路径n颗粒间接触传热传导，忽略不计n催化剂颗粒与周围流体间传热速率为：移热速率线是一条直线QTTb12第12页定态时：反应放热速率向周围流体传热速率n有三个交点n催化剂颗粒定态温度 TA、TB、TCn含有不一样稳定性13第13页9.2.2 催化剂颗粒定态温度稳定条件n定态点C：n扰动使Ts，QrQg，Ts，回复到C点；n扰动使Ts，QrQg，Ts，回复到A点；n扰动使Ts，QrQg，Ts，回复到A点；n定态点B：n扰动使Ts，QrQg，Ts，到A点；14第14页可见：可见：nA、C定态操作点对外界扰动作用含有自衡能力，为稳定定态；nB操作点即使是定态点，不过它对外界扰动作用没有自衡能力，为不稳定定态。15第15页定态C点：Qr线斜率Qg线斜率，即：定态A点：Qr线斜率Qg线斜率，即：定态B点：Qr线斜率Qg线斜率，即：定态稳定条件分析定态稳定条件分析16第16页催化剂颗粒定态稳定条件催化剂颗粒定态稳定条件移热线斜率大于放热线斜率17第17页nA下操作点n颗粒自冷态开始反应n(Ts-Tb)小 nC上操作点n颗粒起始温度高于TCn(Ts-Tb)大nB点n不稳定三个定态温度性质TATCTb18第18页工艺条件要求在工艺条件要求在B B点操作点操作n方法：nQr斜率，即haVp；同时，Tbn增加程度：满足定态稳定条件n催化剂颗粒大小一定，a不变，有效hnh办法：气流线速度19第19页n在一个工业反应开发过程中：n工艺角度：n着眼于反应器空速，以确保取得一定反应结果。n工程观点：n着眼于流体在反应器中线速度大小，确保所需定态处于稳定状态。20第20页9.2.3 临界着火条件与临界熄火条件n“着火”现象：C和u一定，Tb，当Tb超出Tig时，下操作点上操作点n Tig催化剂颗粒 临界着火温度123421第21页n催化剂处于上操作点时，使Tb逐步，当Tb稍低于Tex时，上操作点下降到下操作点。n Tex为催化剂颗粒临界熄火温度1234“熄火熄火”现象和熄火温度：现象和熄火温度：22第22页临界着火和熄火条件：临界着火和熄火条件：n着火和熄火时：Qg与Qr线相切斜率相同n临界着火条件n临界熄火条件：23第23页催化剂颗粒临界着火温度催化剂颗粒临界着火温度着火点在下操作点附近，反应控制，有：对Ts求导：24第24页结合临界着火条件得：结合临界着火条件得：当反应体系一定时：25第25页临界熄火温度临界熄火温度n临界熄火点靠近于上操作点，扩散控制 可推出熄火温度：催化剂颗粒最大温升26第26页n上操作点特点n 很大n催化剂颗粒温度TS很高，无法测定n流体温度Tb很低，能够测定n传质控制9.2.4 在上操作点时催化剂颗粒温度27第27页在上操作点时过程处于传质控制在上操作点时过程处于传质控制表观反应速率极限传质速率 定态时热量平衡：传质控制时温差最大(催化剂颗粒最大温升）：28第28页催化剂颗粒温度催化剂颗粒温度由JD和JH与Re关系得：催化剂颗粒绝热温升为：传热与传质是同一流动条件下结果29第29页由上式可见：n在上操作点时，催化剂颗粒温度与流体温度之间差值大小仅与物系性质相关；n对于气固反应系统：30第30页9.3 连续搅拌釜式反应器热稳定性9.3.1 全混釜热平衡条件31第31页A.A.一级不可逆放热反应一级不可逆放热反应对组分A作物料衡算：32第32页反应过程放热速率：反应过程放热速率：放热速率随反应温度改变呈S形曲线QT33第33页反应过程移热速率反应过程移热速率设T0=TCn移热速率与反应温度呈线性关系n斜率为：；与T轴交点为：TC器壁传热反应物流体热焓改变带走热量34第34页9.3.2 全混釜反应器热稳定性nCSTR有多态现象：nA定态稳定 特点：低xnC定态稳定 特点：高xnB定态不稳定35第35页CSTRCSTR热稳定条件热稳定条件36第36页B.B.可逆放热反应可逆放热反应n受化学平衡限制，放热速率线有一极大值；n与移热速率线有三个交点；nA、C是热稳定操作点，B是热不稳定操作点。ABC37第37页C.C.吸热反应吸热反应n定态为唯一，不存在多态。38第38页9.3.3 操作参数对热稳定性影响n改变CSTR反应器操作参数，会对热稳定性产生影响：n进料温度T0n冷却介质温度Tcn进料流量vn传热系数Un传热面积A39第39页n进料温度：nT01T02 b1b2，热稳定nT01T03 b1c3，热不稳定n冷却介质温度：同上进料温度、冷却介质温度，产生熄火；T3是极限40第40页n进料流量：n进料体积流量，Qr线斜率 n当Qr线斜率时，反应过程会出现热不稳定操作点。n进料体积流量，稳定性U、A改变情况相同41第41页9.3.4 最大允许温差n当Tc，热稳定n当Tc，TcTc3，c3a3，热不稳定Tc下降受到热稳定性限制是热稳定性对CSTR设计与操作一个限制42第42页Tc下降最大极限：43第43页n CSTR最大允许温差：n一样能够求得反应器所需含有最小传热面积44第44页n由上式可见：n决定 反应参数是活化能；nE，反应速率对温度改变愈敏感，；n最大允许温差、最小传热面积是热稳定性对CSTR设计和操作中一个限制。45第45页反应要求中等转化率（串联反应）在B点操作，条件：斜率UA，A截距TC，（T-TC）极限：要求：温差小，冷却介质温度高；传热面积大46第46页9.3.5 全混釜参数灵敏性nCSTR处于D点：n当TC，反应温度TDTD，反应结果影响不大；n当TC，会出现“熄火”现象，将造成反应温度和反应结果猛烈改变。主要调整参数是Tc，考查反应T对Tc灵敏性47第47页n在反应器设计时，应防止太近于D或E操作点，以留有余地作为调整之用。TC微小，会出现“飞温”现象，造成反应温度和反应结果猛烈改变当TC，无猛烈改变在E点操作时48第48页9.3.6 全混釜可控性n全混釜反应器内因为物料猛烈混合，升温或降温同时发生。所以标准上不致发生局部温度过高或过低现象。nCSTR多用于液相反应，反应物系热容较大，温度升降比较迟缓，易于调整和控制。也能在B点操作。49第49页思索题1.怎样区分反应过程中反应与传热交联作用所产生热稳定性问题和参数灵敏性问题？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，哪些点是催化剂颗粒临界熄火点？催化剂颗粒临界着火条件是什么？4.作出CSTR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？稳定条件是什么？50第50页