化学反应工程教案19(化工13)-胡江良

PAGEPAGE7化学反应工程课程教案课型课次 19 课时 2 （请√）

理论课√ 讨论课实验课□习题课□其他□授课题目（教学章、节或主题：第9章反应器的热稳定性和参数灵敏性全混流反应器的热稳定性管式反应器的热稳定性（分掌握、熟悉、了解三个层次：全混流和管式反应热量衡算式；全混流热稳定点条件、管式反应器允许的最大温度差及允许管径；教学重点及难点：重点：全混流反应器的定态。难点：径向传热管式反应器的热量衡算方程。教学基本内容全混流反应器的热稳定性连续流动反应器一般按定常态设计，但反应器的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。本章讨论一旦某些操作参数发生变化，反应器是否还能在接近设计条件下操作；这些参数的变化，是否影响了反应器的安全运行。9.1.1全混流反应器的热量衡算由于全混流反应器参数均一，计算简单，以此为例讨论反应器的热稳定性在定常态下以整个反器应进行热量衡算：物流 物流 反应器与 反应器内反

方法及手段讲解

T

T

HV 0 p1

0 p

2 W A r RVcTTKTTrHV00 p 1 2 2 W A r R全混流反应器基本方程 ：V x xFR f r A1A0 Af当进口物流不含产物时 ，x 0A1r Af

F xA0 VR

Vc x0 A0 AfVR代入热量衡算方程，得 ：Vc0p

－T1

KA

T Vc0W A0

xf

0rV c T－T0 p 1 2

c xA0

Hr

T T2 W1）、一级不可逆放热反应：r kcA A

kcA0

1xA

k0

E eRT A0

1xA代入全混流反应器基本方程且考虑xA1

0：Vc x0A0A

E keRT

1xV 0 A0 RVx

EekV ekVR RTV 0EV 0A x EVR V

A E keRT0

1xA

1 RV0

keRT0Eek ekRT

V 将x

E 0 RE A1k

e0 e0RT 0 代入V c T－T KATT Vc x H 00 p 1 2 2 W 0A0Af r

E E V－T

Vc keRTHRA00 r0 p 2 1 2

1k0

Ee eRT如果是放热反应，上式左侧为移热，右侧为产热。V－TTr 0 p 2 1 2 W q V cKATV cTKATr 0 p

2 0 p

WE E

R

keRT0HrVgV1k0

Ee eRT以操作温度T为横坐标，分别对q和q作图：2 r g移热速率为一直线，放热速率非线性关系。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。2）、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稳定性问题：体系受到扰动后自行恢复的能力。如果一个操作点在受到扰动后能自行恢复，称为稳定操作点。否则称为不稳定操作点。TN点：当某一随机因素使温度升高到，此时，移热速率大于产热速率，TE温度将下降；若温度降低至TD，此时，产热速率大于移热速率，温度将上升，最后稳定在TN。因此，N点是稳定操作点。同理，M点也是稳定操作点。而PN点，或者下降到M从数学上看，NM和P点的区别为：dq dqNM点：r

dq dq而P点r gdt dt dt dtdq因此，r

为稳定操作点的必要条件。dt dt进料温度与反应器操作温度的关系进料温度在TA

与T之间，存在两个稳定操作点。D管式反应器的稳定性与参数灵敏性热稳定性：返混很小的管式反应器，任何一个局部发生扰动，必然引起局部上游。有良好壁面传热的管式反应器主要的传热方向是径向，轴向传热可以忽略。稳定性问题是由径向温度分布所引起。通过拟均相二维模型讨论：2T

1rr

2Tlu

Tl

1

r 2 l 2 gp A B仅考虑径向热量传递时可以简化为：d2T

1dT

rdr2

rdrR 1HAB边界条件：ABr0

dT0dr

rR TTw推导目的：通过上式求出管式反应器热稳定性条件和最大管径 ELet: R fc kexp RTART r z dz

AS 0

g TTwR R RT2 gwE E dT dTd dT RT2 dT RT2dd

g

gwr d dr ddT RT2

E dr E drddrRdz gwd2T RT2

dr RE dzd2 d2T RT

d2 gw gwdr2

E dr

dr2 R2Edz2将以上结果代入到简化了的方程中去：RT2

d

1 RT

d gw

gw

1

HrR2Edz2 Rz RE dz A B d2

1d

R2E

1

Hdz2 zdz RT2 A B

gw

ER fA

c kAS

exp RTgLet:

R2

H

k RT2

B AS

RT gw r gwEexp d2 1d

RT E E

g

exp dz2 zdz E RT RT RTexp RT

g gwd2 1d

gwRE1 1R

dz2

zdz

T T g wd2 1d

E

T exp w Rdz2R

zdz

TT g w近似认为:TTwd2 1d

T2w

TT dz2

zdz

exp w R2w g TR2wd2dz

1zdz

边界条件相应转变为：dz0 dz

z1 即T＝Tw以上方程在δ>2时无有限解，说明当δ>2时反应器的操作是不稳定的。床层最大直径：令：QRA

1

HB为单位床层体积内放出的热量，称放热强度。则： R2E RT2 B

AS

EexpRTgw r gwR maxR

2EQ2RT2gw r因此： R

2RT2gw r3）讨论：

max EQ由床层最大允许温差条件，壁温不能太低，否则允许温差太小。由最大床层直径条件，放热强度增加，允许床层直径变小，但床层的情况下，有时对催化剂活性进行限制。作业、讨论题、思考题：1、名词解释流化床、移动床、固定床、散式流化态、聚式流化