《化学反应工程》课程教学资源（随堂PPT课件）第10章 热量传递与热稳定性

Chemical Reaction Engineering 10热量传递与反应器的热稳定性 10.1.概述 问题： 在CSTR中进行放热反应，反应物 进料温度100C,转化率80%.因 扰动进料温度升高到101℃，恢 全混釜 复到100℃以后，反应温度和转 (CSTR) 化率仍然不断上升，失去控制而 飞温。 为什么？

Chemical Reaction Engineering 全混釜 （CSTR） 问题： 在CSTR中进行放热反应，反应物 进料温度100℃，转化率80%.因 扰动进料温度升高到101℃，恢 复到100℃以后，反应温度和转 化率仍然不断上升，失去控制而 飞温。 为什么？ 10.1.概述 10热量传递与反应器的热稳定性

Chemical Reaction Engineering 两种传热过程的区别： •物理过程传热（化工原理）一冷热流体交换热量，无热源 •化学过程传热（反应工程）一反应+传热，有放热或吸热源

Chemical Reaction Engineering 两种传热过程的区别： •物理过程传热（化工原理）—冷热流体交换热量，无热源 •化学过程传热（反应工程）—反应+传热，有放热或吸热源

Chemical Reaction Engineering 两种传热过程的区别： 物理过程传热（化工原理）一冷热流体交换热量，无热源 •化学过程传热（反应工程）一反应+传热，有放热或吸热源 例：放热反应，定态Q。=Q T个→(-r)↑→ O。ce1Rr个指数关系 .x(T-T)个线性关系 →T 恶性循环，有失控危险

Chemical Reaction Engineering 两种传热过程的区别： •物理过程传热（化工原理）—冷热流体交换热量，无热源 •化学过程传热（反应工程）—反应+传热，有放热或吸热源 T (−rA )  线性关系 指数关系  −    − ( ) / r c E RT g Q T T Q e T 恶性循环，有失控危险 例：放热反应，定态 Q Q g r =

Chemical Reaction Engineering 定态热稳定性 参数灵敏性 定态-平衡Qg=9, 热稳定性一抗干扰能力 扰动—瞬时的 动态问题 A, C一稳定的定态点 B一不稳定的定态点 T 床层温度分布 365℃ 360℃

Chemical Reaction Engineering 定态 热稳定性 参数灵敏性 •定态—平衡 •热稳定性—抗干扰能力 扰动—瞬时的 动态问题 Qg = Qr 365℃ 360℃ Z T Tc 床层温度分布 A，C—稳定的定态点 B —不稳定的定态点

Chemical Reaction Engineering 参数灵敏性：参数波动时，系统状态的变化大小 T 370℃ 波动 362℃ 365℃ 360℃ 363℃ 361℃ 少 干扰 床层温度分布 365℃ 360℃ 反应器设计与操作要求：定态、热稳定、不灵敏 床层尺度 Q=UU·A·△t 传热尺度 颗粒尺度 Nu=f(Re,Pr)

Chemical Reaction Engineering •参数灵敏性：参数波动时，系统状态的变化大小 363 ℃ 362℃ 360℃ Z T Tc 370 ℃ 365 ℃ 361 ℃ 反应器设计与操作要求：定态、热稳定、不灵敏 传热尺度 床层尺度 颗粒尺度 Q =U  At Nu = f (Re, Pr) 365℃ 360℃ Z T Tc 床层温度分布 波动 干扰

Chemical Reaction Engineering 10.2颗粒温度的热稳定性 一颗粒的定态温度 /扩散控制 假定：放热反应、 粒内均匀 粒外对流传热 反应控制 定态条件：Qg=Q, 放热曲线： 低温，反应控制 Qg=(-AH)kCgV。 中间过渡区，反应+传质 S形曲线 高温，扩散控制 Qg=(-△H)k.aCb'p 移热曲线：Q,=ha(T,-T6)Vp 线性

Chemical Reaction Engineering 10.2 颗粒温度的热稳定性 一.颗粒的定态温度 假定：放热反应、 粒内均匀、 粒外对流传热 定态条件： Qg = Qr Qg = S形曲线 P n Qg = (−H)kCb V g g aCb VP Q = (−H)k 低温，反应控制 中间过渡区，反应+传质 高温，扩散控制 放热曲线： Qr ha Ts Tb VP 移热曲线： = ( − ) 线性

Chemical Reaction Engineering 催化剂颗粒的定态操作点 Q B A T TA T

Chemical Reaction Engineering 催化剂颗粒的定态操作点 Qg Qr

Chemical Reaction Engineering ha(Ts -T)Vp 在横坐标上的交点Tb,斜率ha'p T,个→1,23平行线 u个→h个→斜率个 1>2>3

Chemical Reaction Engineering Qr ha Ts Tb VP = ( − ) 在横坐标上的交点 b ，斜率 haVP T Tb 1，2，3平行线 1 2 3 Q T Q 1>2>3 T Tb u h 斜率

Chemical Reaction Engineering 放热曲线 23 C6↑→0↑ C461>C6.2>C6.3 多态：在同一操作条件下，可以有 2个或2个以上操作状态，均 Q B 满足定态条件：Q。=Q, 如交点A,B,C T TA T

Chemical Reaction Engineering CAb Qg  Q T 1 2 3 CAb,1  CAb,2  CAb,3 放热曲线 多态：在同一操作条件下，可以有 2个或2个以上操作状态，均 满足 如交点A，B，C 定态条件： Qg = Qr

Chemical Reaction Engineering 二、催化剂颗粒定态温度的稳定条件 C点：(1)扰动使Ts,C↑，偏离C点 .Q>Qg∴.自动冷却回到C点 (2)扰动使Ts,C↓，偏离C点 .Qg>Qr.自动升温回到C点 C点一稳定的定态点（稳定点） B点：(I)扰动使Ts,B个，偏离B点 IS,A Ts.B Ts.c .Qg>Qr.自动升温到C点 (2)扰动使Ts,B↓，偏离B点 热稳定条件： .Qr>Qg.自动冷却到A点 d№.、d№g B点—不稳定的定态点 （不稳定点） dT dT A点：同C点

Chemical Reaction Engineering 二、催化剂颗粒定态温度的稳定条件 A B C b TS ,A TS ,B TS ,C T Q T C点：⑴扰动使Ts,C ↑，偏离 C点 ∵Qr>Qg ∴自动冷却回到C点 ⑵扰动使Ts,C ↓，偏离 C点 ∵Qg>Qr ∴自动升温回到C点 C点—稳定的定态点（稳定点） B点：⑴扰动使 Ts,B↑，偏离B点 ∵Qg>Qr ∴自动升温到 C点 ⑵扰动使Ts,B ↓，偏离 B点 ∵Qr>Qg ∴自动冷却到A点 dT dQ dT dQr g  热稳定条件： B点—不稳定的定态点（不稳定点） A点：同C点