化学反应器的动态模型汇总课件.ppt
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- 化学 反应器 动态 模型 汇总 课件
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1、化工动态学化工动态学董守龙 2009年6月第二节第二节 CSTRCSTR的热稳定性分析的热稳定性分析l任何化学反应都有一定的反应热效应,传质过程同时伴有传热过程,有时甚至比传质过程的影响还要大,成为过程的关键因素。l若反应放热速度等于移热速度,或者反应吸热速度等于供热速度,则反应器处于热平衡状态热平衡状态。但反应器操作过程各有关参数总会有波动,如进料温度、组分、流量等;若某外界扰动使反应器状况产生一个微小的变化,反应器会偏离原来的平衡状态,当扰动消失之后,若反应器能自动返回原来的平衡状态,则称该反应器是热稳定的热稳定的或是有自衡能力的有自衡能力的;反之,则称该反应器是热不稳定的热不稳定的或是无
2、自衡能力的无自衡能力的。CSTRCSTR的热稳定性分析的热稳定性分析l反应器热稳定与否对反应器操作具有十分重要的意义。若反应器热稳定,那么只要有关参数基本保持在给定值就可以了,即使短暂的扰动使反应器状态发生了偏离,也无需进行专门调节。l进料温度和组成的任何波动,都可能引起反应热与外界换热的不平衡情况。l由于反应速率与温度是非线性函数关系,而热交换速率与温度则呈线性关系。l放热反应,若T增大反应速率R增大热量进一步积聚,T进一步升高反应器状态趋于不稳定CSTRCSTR的热稳定性分析的热稳定性分析l研究反应器热稳定性的基本思路:研究反应器热稳定性的基本思路:反应器热稳定性问题属于动态问题,应建立在
3、反应器动态方程基础上;考虑到稳定性是研究反应器状态偏离平衡状态的问题,可将非线性动态方程在平衡点线性化,并利用劳斯判据判断其传递函数特征方程的稳定性研究反应器的热稳定性。l下面以连续搅拌槽式反应器CSTR为例说明。CSTRCSTR的热稳定性分析的热稳定性分析一、CSTR的动态数学模型 V c0 T0 Fi ci Ti F0 c0 T0TCCSTRCSTR的动态数学模型的动态数学模型1、基本假设、基本假设充分搅拌,反应物料完全混合,反应器内无浓度、温度梯度;反应为一级不可逆反应;进料量等于出料量,反应器内蓄液量V保持不变;反应物比热CP及冷却管传热系数U不变;冷却管管壁热容及反应器热损失忽略不计
4、。CSTRCSTR的动态数学模型的动态数学模型2、基本方程、基本方程输出变量输出变量:反应器出口温度T0和出口浓度c0输入变量输入变量:进料温度Ti、进料浓度ci、冷却水温度TC物料衡算方程:能量衡算方程:0006.1iiidcVF cF cVv Rdt式()0000()6.2PiPiPCiidTV CF C TFC TUA TTVv R Hdt 式()CSTRCSTR的动态数学模型的动态数学模型3、传递函数、传递函数化学反应速率方程:对上式取增量形式,可得:由式(6.3)可知:将式(6.5)、(6.6)代入式(6.4),并取拉氏变换得:00()6.3iv Rk T c式()0000()()(
5、)6.4iiiv Rv Rv RcTcT式()0()6.5iv Rkc式()0000()()6.6iiv Rv RkkcTkTT式()0000()()()67ikv R Skc ScT ST式(.)CSTRCSTR的动态数学模型的动态数学模型l取式(6.1)的拉氏变换,并将式(6.7)代入,可得:式中l取式(6.2)的拉氏变换,并将式(6.7)代入,可得:l若设l则式(6.8)和(6.9)变为:0000()()1()(6.8)式iTSScScTSkck0iV FFFF 0000()()()()(6.9)1 式iiPPPPiCSTScST ScHkHkUUCTCCTSC1101221130022
6、23240;11;iiPPPPkacaaakTcHkHkUUaaaCTCCC 111213212200023240()()()()(6.10)()()()()()(6.11)iiCT SSc Sc SST Sc ST ST Saaaaaaa式式CSTRCSTR的动态数学模型的动态数学模型l联立式(6.10)和(6.11)可得:l两式分母部分完全相同,即:l说明说明:Ti(S)对T0(S)的影响要比ci(S)对T0(S)的影响快,因为存在超前环节;ci(S)对c0(S)的影响要比Ti(S)对c0(S)的影响快,因为存在超前环节;各通道传函分母均相同,说明各通道具有相同稳定性。2312132412
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