反应热失控研究及反应操作安全.pptVIP

谢谢！ * 1、课题背景 化学放热系统是指化学反应过程中以一定方式释放能量的系统。它涉及工业生产中的诸多领域，例如制药、塑料加工、化学品精炼及石油化工等。对于化学反应系统中进行的强放热反应，热失控就是当操作条件的较小变化导致反应系统的温度发生巨大的变化，由于反应产生的热量指数依赖于系统温度，而反应移出的热量线性依赖于系统温度。换言之，由于一个较小的温度扰动会导致反应速率的加剧，剧增的反应速率又导致产生更多的热量，进一步导致温度升高。当反应放出的热量远超出了反应移出的热量时，这种反馈机理就导致了化学放热系统的热失控行为的发生。 * 由于化学反应系统的复杂性，尤其是系统状态对操作条件的变化相当敏感，所以影响化学反应系统过程的设计参数和操作参数是多方面的。当反应系统进入参数敏感性区域，由于一个或者多个参数的波动，会导致反应系统发生飞温现象，此时反应系统所对应的初始条件称为临界初始条件。反应系统一旦满足这种临界条件，就产生化学反应的失控，甚至爆炸。此时的化学放热系统就处在了热失控状态。 2、课题发展过程 2.1基于温度分布的热失控临界判据 2.2基于参数敏感性的热失控临界判据 2.3 基于奇异值理论的热失控临界判据（Singularity 标准） 2.4 基于混沌理论的热失控临界判据（Chaos 标准） 2.1基于温度分布的热失控临界判据 1.1 忽略反应物消耗：Semenov 理论 最早对热失控行为进行理论研究的是Semenov[2]。它假定没有反应物的消耗，系统为均温系统，通过研究“热图”中的产热速率与移热速率曲线的相交、相离、相切的几何关系，从而得到反应失控的临界条件。很明显，这种不考虑反应物消耗的假设违背了大多数真实的化学反应系统，结果偏于保守。 1.2 考虑反应物的消耗 Todes 和他的合作者Kontorova、Melent’ev 等在确定系统热失控的临界条件时首次考虑了反应物的消耗。然而，当考虑反应物消耗时，反应系统的动力学变得复杂，确定临界失控条件需要非常复杂的数值计算，受当时的手动积分计算水平的限制，这些研究者都没有得到反应系统的临界条件。 Thomas 等在物理学的基础上，提出了TB 标准，指出在温度最大值出现之前，反应系统的温度随时间的变化曲线呈现正的二阶导数区间。 Adler 等在研究TB 标准的时候发现运用温度-转化率分布比温度-时间分布更为方便，类似于TB标准，Adler 和Enig 定义了AE 标准，提出反应系统发生热失控的临界条件为：温度出现最大值之前，温度随转化率变化曲线出现正的二阶导数。 同时，Van Welsenaere 和Froment通过采用热点轨迹来定义临界条件，即VF 标准，指出当温度-转化率曲线超过热点轨迹的极小值时，便发生热失控。并且Van Welsenaere 等采用外推法得到了临界条件的显示表达式，但是只适用一级反应，有很大的局限性。 在前人的研究基础之上，刘秀玉等提出了最高点温度参数随初始条件变化的二阶导数为0是反应系统出现参数敏感性的理论判据，温度最大点轨迹的拐点是反应系统参数敏感性的临界点。并在间歇反应系统出现热敏感性的理论基础上，推导和建立了间歇反应系统热失控的临界判据模型和反应系统安全操作温度上限。相比于传统的经典判据，结果相对开放，拓宽了间歇反应器的设计和操作范围。 2.2基于参数敏感性的热失控临界判据 化学放热系统受到许多物理化学参数的影响，当系统处于参数敏感性区域时，参数的微小变化便可能导致系统状态的剧烈变化。随着参数敏感性研究的深入，通过利用一种有效的数学工具——敏感度分析（sensitivity analysis），近些年来在化学动力学方面得到了广泛的应用。 主要发展出了MV 标准以及VR 标准 2.3 基于奇异值理论的热失控临界判据（Singularity 标准） 描述化学反应系统动力学的数学模型往往涉及能量方程、组分方程，这些反应方程的各个参数间存在非线性的依赖关系。众所周知，这些非线性模型呈现多定态、多周期、奇异（非奇异）时空性。 奇异值理论是现代数学的一个重要分支、它研究可微映射的退化性问题，并成功处理许多非线性现象。Balakotaiah 等首次将奇异值理论引入到计算不同类型的均相反应器的热失控临界边界。 2.4 基于混沌理论的热失控临界判据（Chaos 标准） 随着非线性科学的发展，混沌理论得到广泛的应用，混沌行为的最本质特征是非线性系统对初始条件的极端敏感性。如果系统是混沌的，则只要初始条件有微小的变化，系统随时间演变的轨线就会以指数速度分离。也就是说，随着时间的推移，混沌运动将把初始条件的微小差异迅速放大。对初始条件敏感性的存在与否的最重要的诊断工具是由Lyapunov 指数提供的。该指数测度了在初始条件下仅有“无限小