放热式反应器的稳定性

　　stability of exothermic reactors  放热反应是指在反应过程中放出热量的化学反应。放出热量使反应温度升高，温度升高又使反应速度加快，放出更多的热量。这一连串的过程，如果其他条件也允许的话，将形成一个失控的正反馈内回路。这些条件是：(1)反应器的反应热向周围环境散得不如放出的那样快；(2)反应物的转化率要比100％低得多，以致继续放热不受限制。

　　反应器控制系统的设计成功与否，在很大程度上取决于反应器设计得如何。如果设计的是开环不稳定的反应器，就有可能不管采用哪种控制方案，系统都是不稳定的。

　　在大多数的装置中，反应器设计只单纯从工艺要求的生产率观点出发。满足其生产率也就确定了反应器的负荷，并做到设备本身具有抗干扰作用。超负荷运行，或设计一个不稳定的反应器，有时在没有任何负荷扰动的情况下也会发生突然振荡，其猛烈程度足以毁坏产品、破坏催化剂、损害设备以致危及操作人员的生命。

　　设反应器进料的质量流量为F；它的密度为ρ；进料浓度为X₀；转化率为y；反应热为Hr；则反应放热的速率Qr是：

Qr＝HrFX₀y　　(12—30)

　　假设忽略反应物的显热，所有反应放出的热量都传给了冷却系统，其传热系数为U，传热面积为A，反应器内温度为T，冷剂温度为Tc，则传热速率为：

Q_T=UA(T—Tc)　　(12—31)

在同样热流量下，直线1、2、3代表了3种不同的反应器冷却系统设计方案，UA是该直线的斜率(见Q—T曲线，图12—31)。

图12—31  Q—T曲线图

　　O点表示反应器正常工况。不管沿哪条散热线，在该点Q_T＝Qr，因此存在一个热平衡状态。假设由于负荷增加，对于线1，放热成Q_T1点。线2、3分别为Q_T2、Q_T3点。而放热线放热Qr，说明温度升高，反应相对量Q／Q_H增加，放热随之增加。因为Q_T1大于Qr，散热快于放热，反应器温度会自动地回复到O点，起到类似负反馈的作用。按该散热线设计的放热反应器是稳定的。相反，Q_T2、Q_T3小于Qr，即负荷扰动后，反应放出的热大于反应器冷却系统带走的热量，反应器温度仍要继续上升，不再回到O点。按散热线2设计，系统还可稳定在E、D点；按散热线3设计，则反应器永远不会稳定。

　　这就说明，只要设计足够的传热面积，就可以把放热反应器做成本质上稳定的反应器。而这种传热面积余量是相对于设备额定工作负荷设计的，超负荷运行或控制系统中冷剂断流都将导致放热反应器发生重大事故。

　　　　　　　　　　——摘自《安全工程大辞典》（化学工业出版社，1995年11月出版）