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化学反应器的参数敏感性


实验室k / 2019-02-18

       反应器显示出的另一麻烦特征是“参数的敏感性”;这种敏感性可以作如下定义,即操作变量的微小变化,会导至反应器性能的巨大变化。反应器并不是已经引用过的“不稳定概念”(亦即并不存在可能的定常态时的连续温度序列),但如果由于某一操作变量的微小改变,就将引起反应器性能上不能允许的变化,那么,这种反应器仍然是很难控制的。

       以下讨论的情况,是在管式反应器内进行简单放热反应时的特性,反应器壁维持在某一温度Tw,且壁温在反应器的整个长度范围内是相同的。为了简化起见,假定反应流体的温度Tr在各个床层截面上是均匀的(也就是假定在器壁处存在着温度的不连续性Tr-Tw),但由于反应热,Tr将沿整个反应器长度而変化。在解出这种反应器模型的微分方程后,有关作者指出,如果以Tr作为沿反应器长度(相当于时间)的函数而进行标绘时,则在不同Tw值所得的曲线如图56所示。


       由图可见,Tw极其微小的增加,会使反应器内某一部位的温度急剧上升,这就是说形成了一个“热点”;并且如图57所示,它还表明反应物的浓度也将相应地急剧下降(亦即转化率迅速增加)。这样,该反应器就表现出对于参数Tw值的敏感性。事实上,在所研究的例子中,当Tw的变化小到1℃时,所造成的影响仍将使完全转化所需的反应器容积减小一半以上。至于传热系数和反应混合物的稀释程度,也会发生类似的敏感性;填充物的初始温度也有重要的影响。


       根据直观的判断,这类情况是容易明白的。倘使Tw所保持的值比反应流体的进口温度低得多,则流体被迅速冷却,并使反应变得十分缓慢;但是,如果Tw上升到稍大于某临界值时,由于反应热以及由于反应速率和温度的指数关系,这两者共同作用的结果,将导致流体温度急速上升,并超过进口温度,但又由于反应物的不断被耗尽,这种上升也是有一定限度的。

       尽管这个例子所涉及的是一个简单反应,但显然同样的研究也适用于各种更为复杂的反应,而由此得到的结果,在工业上有着重要的用途。例如,如果某有用反应伴随着一个无用的放热降解过程,从图56可清楚地看到,只要敏感参数超过某值,该降解过程的引发就可能很快,可是为了使有用反应能获得满意的收率,这个参数可能需要保持接近临界值。这种情况在部分氧化过程中可能会发生,这正如前面文章所述,对这种情况用连续搅拌釜式反应器要比管式反应器有利。


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