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石油大学（北京）化学工程与装备研究所 催化反应器的安全稳定性分析技术 朱建华 石油大学化学工程与装备研究所 北京 102200 一、问题的提出 炼油化工生产过程中反应器飞温烧结催化剂的现象时有所闻 高压反应釜爆炸伤人的事故时有发生 何种原因导致上述事故的发生？ 对此类事故原因的传统认识 定态操作的反应器，在输入及其它操作条件基本恒定的条件下，其输出应是稳定的 ； 反应器的失控主要是由操作失误造成的； 反应器爆炸的原因可能是反应体系的组成已处于爆炸限的范围内，在外界条件的刺激下，如明火、静电、碰撞或高温而引发爆炸。 用化学反应工程学理论对此类事故原因的分析 反应器的设计存在缺陷； 对反应体系的多定态特性缺乏足够的认识 ； 对反应器的操作稳定性分析不够 。 二、化学反应体系的多定态特性 1918年Liljenroth 定性描述了氨氧化反应过程的开车与稳定性 ； Davies分析了多种金属丝表面上H2或CO在空气中的燃烧反应，发现了催化燃烧过程中的点火及熄火现象； 1950’s，Van Heerden, Bilous and Amundson等人对CSTR中一级不可逆放热反应多定态特性的研究，引起了世人的关注； 1972年Beusch等对催化反应中存在的自激振荡现象的实验观测结果的发表，使对化学反应体系多定态特性的研究成为化学反应工程研究的热点。 化学反应体系多定态特性的重要性 三、CSTR的定态及稳定性分析 在定态下操作的CSTR反应器，其反应温度将由整个反应器的物料衡算和热量衡算决定 假设在反应体积为VR的CSTR中进行一级不可逆反应 A B 进料中反应物A的浓度为CA0，进料温度T0，并以体积流量v0连续稳定地流入反应器 假定反应物料的密度恒定 CSTR中发生一级不可逆放热反应的多定态特性及定态稳定性 1、物料衡算 v0(CA0 –CA)=VRkCA （1） 或 CA＝CA0/(1+k τ ) 式中： τ =VR/V0 CSTR的热量衡算 CSTR的热量衡算 CSTR的定态解 进料温度对CSTR定态的影响 流量对CSTR定态的影响 在CSTR反应器中发生吸热反应的定态特性 CSTR定态稳定的判据 ??定态稳定的必要条件为： ? ? ?该式也称为斜率条件。 ? CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性分析 CSTR的瞬态特性 CSTR的开工方案 四、单颗粒催化剂的定态及稳定性分析 利用在单颗粒催化剂上发生反应的物料及热量衡算方程，确定体系的模型方程 利用图解法确定体系的定态 利用斜率条件判断体系的稳定性 利用瞬态方程确定体系定态稳定性的充分必要条件。 五、催化反应器的安全稳定性分析 确定体系的模型方程 分析模型方程的多解 利用奇异理论（Singularity Theory)和突变理论（Catastrophe Theory)分析反应器的多定态特性及定态稳定性 确定催化反应器操作的工艺参数范围，为反应器 的安全稳定操作提供指导 谢谢各位！ * * 3、成为洞察催化反应机理的新方法 4、为催化反应器的开车和停车提高指导 5、为催化反应器的安全操作提供诊断分析技术 1、成为化学反应工程学发展史上的一个里程碑 2、将为催化反应器的设计、操作和控制提供重要的理论依据 令： Qr=(1+Ω)T-(T0+ΩTC) ? Qg=ΔTad k τ /(1+k τ )