第九章热量传递与反应器的热稳定性 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 1154
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 1/54 第九章 热量传递与反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的反应热效应，尤其是反应 热效应很大时，在进行传质过程的同时必定伴有热量传 递过程，它对化学反应的影响不可忽略。 反应过程的热量传递，按尺度分为： (1)颗粒尺度的热量传递（催化剂颗粒与其周围流体之 间的传热过程)： (2)设备尺度的热量传递（反应器内外进行的热量传 递)。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 2/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 2/54 任何化学反应都有一定的反应热效应，尤其是反应 热效应很大时，在进行传质过程的同时必定伴有热量传 递过程，它对化学反应的影响不可忽略。 反应过程的热量传递，按尺度分为： （1）颗粒尺度的热量传递（催化剂颗粒与其周围流体之 间的传热过程）； （2）设备尺度的热量传递（反应器内外进行的热量传 递）
热稳定性的概念 在反应器的操作过程中的各有关参数，受到 偶然的原因所引起的波动称之为扰动。当扰动消 失后，原来处于平衡状态下的反应器可能出现两 种情况： (1)反应温度会自动返回原来的状态，则反 应器是热稳定的，或是具有自衡能力； (2)反应温度会继续变化直到建立新的平衡 状态，则该反应器是不稳定的，或无自衡能力。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 3/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 3/54 在反应器的操作过程中的各有关参数，受到 偶然的原因所引起的波动称之为扰动。当扰动消 失后，原来处于平衡状态下的反应器可能出现两 种情况： （1）反应温度会自动返回原来的状态，则反 应器是热稳定的，或是具有自衡能力； （2）反应温度会继续变化直到建立新的平衡 状态，则该反应器是不稳定的，或无自衡能力。 热稳定性的概念
平衡和稳定是两个不同的概念。平衡有两种：稳定的 平衡和不稳定的平衡；热稳定性条件比平衡条件苛刻的多。 热平衡条件为：移热速率等于反应的放热速率，可以 采用很大的传热温差，以减少必需的传热面积，从而简化 了反应器的结构； 热稳定条件：除了满足移热速率等于反应的放热速率 外，还给传热温差以限制，要求传热温差必须小于某个给 定值，因而大大增加了所需的传热面积。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 4/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 4/54 平衡和稳定是两个不同的概念。平衡有两种：稳定的 平衡和不稳定的平衡；热稳定性条件比平衡条件苛刻的多。 热平衡条件为：移热速率等于反应的放热速率，可以 采用很大的传热温差，以减少必需的传热面积，从而简化 了反应器的结构； 热稳定条件：除了满足移热速率等于反应的放热速率 外，还给传热温差以限制，要求传热温差必须小于某个给 定值，因而大大增加了所需的传热面积
参数灵敏性指的是各有关参数如流量、进口温度和冷 却介质温度等作微小调整时，反应器内温度或反应结果变 化的多少。 热稳定性是对微小的短暂的扰动而言的；参数灵敏性 则是对微小但持久的调整而言的。 参数灵敏性高，对参数的调整就会有过高的精度要求 使反应器的操作变得十分困难。在反应器设计时，应尽 量避免过高的参数灵敏性。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 5/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 5/54 参数灵敏性指的是各有关参数如流量、进口温度和冷 却介质温度等作微小调整时，反应器内温度或反应结果变 化的多少。 热稳定性是对微小的短暂的扰动而言的；参数灵敏性 则是对微小但持久的调整而言的。 参数灵敏性高，对参数的调整就会有过高的精度要求， 使反应器的操作变得十分困难。在反应器设计时，应尽 量避免过高的参数灵敏性
9.2.2催化剂颗粒定态温度的稳定条件 C点和点A 对外界的扰 动作用具有 Q 自衡能力， B 成为稳定的 定态或稳定 态B点称为 不稳定的定 态. Ta Ts 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 6/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 6/54 9.2.2催化剂颗粒定态温度的稳定条件 C点和 点A 对外界的扰 动作用具有 自 衡 能 力 , 成为稳定的 定态或稳定 态.B点称为 不稳定的定 态
稳定态的条件是 dQ、 dQg dT dT T 移热线的斜率大于放热线的斜率是定态忌足y必安乐+， 称为斜率条件。 在同样的流体温度和浓度条件下，催化剂存在着两个可 能的稳定态温度。如果催化剂颗粒自冷态开始反应，则催 化剂温度自低向高逐步上升，最后达到下操作点的稳定状 态。 如果催化剂颗起始温度高于T,或是流体主体的温度 超过T,即使流体主体温度能降回到T。,催化剂也不可能 再回到A点，而维持在上操作点C。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 7/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 7/54 稳定态的条件是： 移热线的斜率大于放热线的斜率是定态稳定的必要条件， 称为斜率条件。 在同样的流体温度和浓度条件下，催化剂存在着两个可 能的稳定态温度。如果催化剂颗粒自冷态开始反应，则催 化剂温度自低向高逐步上升，最后达到下操作点的稳定状 态。 如果催化剂颗起始温度高于TB，或是流体主体的温度 超过Tb / ，即使流体主体温度能降回到Tb，催化剂也不可能 再回到A点,而维持在上操作点C
9.2.3临界着火条件与临界熄火条件 T。Ta Ta T.T. 在流体浓度和线速度一定的条件下，使流体主体温度 自T逐渐上升，则催化剂颗粒温度也相应缓慢升高，颗粒 温度和流体温度之间的差别很小。但流体温度刚超过T。时 催化剂颗粒温度会出现突越而急剧升到T©，操作状态由下 操作点跃升到上操作点，这种现象称为着火现象，相应的 流体温度T称为催化剂颗粒的临界着火温度。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 8/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 8/54 在流体浓度和线速度一定的条件下，使流体主体温度 自Tb逐渐上升，则催化剂颗粒温度也相应缓慢升高，颗粒 温度和流体温度之间的差别很小。但流体温度刚超过Tig时， 催化剂颗粒温度会出现突越而急剧升到TC,操作状态由下 操作点跃升到上操作点，这种现象称为着火现象，相应的 流体温度Tig称为催化剂颗粒的临界着火温度。 9.2.3临界着火条件与临界熄火条件
当催化剂处于上操作点时，使流体主体温度 逐渐下降，则催化剂颗粒温度也相应缓慢降低。 但流体温度刚稍稍低于Tx时，催化剂颗粒由上操 作点跌至下操作点，这种现象称为熄火现象，相 应的流体温度T。,称为催化剂颗粒的临界熄火温度。 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 9/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 9/54 当催化剂处于上操作点时，使流体主体温度 逐渐下降，则催化剂颗粒温度也相应缓慢降低。 但流体温度刚稍稍低于Tex时，催化剂颗粒由上操 作点跌至下操作点，这种现象称为熄火现象，相 应的流体温度Tex称为催化剂颗粒的临界熄火温度
9.3连续搅拌釜式反应器的热稳定性 对组分A作物料衡算： UCAO=UCAr十VRRCAL CAO CAI 1+k 反应过程的放热速率为 Qg=(-△H)RCAIVR E (-△H)koCAo VRexp RT 1十korexp 化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 10/54
化学反应工程基础 第九章热量传递与反应器的热稳定性 10/54 9.3连续搅拌釜式反应器的热稳定性 对组分A作物料衡算：