【正文】 傳熱計算 三、非牛頓流體的傳熱 最常見的非牛頓流體為假塑性流體攪拌高黏度假塑性流體時，大都處于層流區(qū)，此時常用錨式，螺帶式攪拌器，其傳熱關(guān)聯(lián)式為 ? ?? ?? ? R e n pr R e n R e n prR e n R e c R e n pr6R e c R e n R e c , 50 50010 , 39iTN N Vis Ni T T DN N VisDNNiTN N VisN N N T T D???????? ? ??????????????? ? ? ???錨 式雙 螺 帶NRen和 NPr為采用非牛頓流體表觀粘度所計算的攪拌雷諾數(shù)和普蘭特數(shù) 攪拌聚合釜工程分析與傳熱計算 四、攪拌聚合釜總傳熱系數(shù)的計算 討論了攪拌聚合釜內(nèi)側(cè)傳熱膜系數(shù) αi的計算方法，現(xiàn)介紹外側(cè)（夾套側(cè)）傳熱膜系數(shù) α0的計算方法 ,Lehrer提出可按下式計算 ? ?r e pr0e18r e pree1 4 18 2 132NNDNNDDDD?????? ? ? ??? ??? ? ? ?＝＋是 夾 套 的 當 量 直 徑 ， 用 式 求 算＝式中， D1是夾套內(nèi)徑， D2為夾套外徑 攪拌聚合釜工程分析與傳熱計算 若冷卻水的入口接管安裝在容器下部，出口管干裝在容器的上部時，雷諾數(shù) NRe用式計算： ? ? 0. 5eRe 0 ADN u u?? ?＝u0是入口接管處的流速，當夾套側(cè)冷卻水流量為 W，接管內(nèi)徑為 di，則 u0為 ： 20 4/ iu W d???? 攪拌聚合釜工程分析與傳熱計算 當接管沿徑向方向安裝時，見圖 68， uA取夾套內(nèi)的上升速度，即 ? ?22214AWuDD?????當接管按切線方向安裝時，見圖 69， uA取夾套間隙速度，即 : ? ?j 2 12AWuH D D ???? 攪拌聚合釜工程分析與傳熱計算 夾套內(nèi)設(shè)置螺旋擋板時，其傳熱膜系數(shù) α 0由式計算 : ee0ejv0. 03 1 1. 77CDDDR? ???????????? ? ? ??? ???????? ?? ??式中 ， De為螺槽的當量直徑 ， Rj為夾套的曲率半徑， Rj=D1/2+( D2 D1)/4。ν 為冷卻水在螺槽中的流速。 攪拌聚合釜的熱穩(wěn)定性 原因： 反 應 溫 度 上 升 反 應 速 率 加 快 反 應 放 熱 速 率 增 大? 按定常態(tài)操作條件設(shè)計反應器時，只考慮了反應器在穩(wěn)定操作時的性能，而沒有考慮反應器從非定常態(tài)過度到定常態(tài)的過程。實際上，反應器操作時溫度、濃度、流量、傳熱等參數(shù)難以做到一成不變，當這些參數(shù)發(fā)生偏離定常態(tài)條件的變化時，即受到擾動后，反應器的操作狀態(tài)有兩種變化的可能： ? 1）擾動撤消后不能回復到原先的狀態(tài)，而變到另一種操作狀態(tài)； —— 熱不穩(wěn)定 ? 2）擾動撤消后回復到原先的定常狀態(tài)。 ——熱穩(wěn)定 以上二者雖然都是熱平衡，但一個是穩(wěn)定的，一個是不穩(wěn)定的；可見，平衡不等于穩(wěn)定。 平衡有兩種， 穩(wěn)定的平衡 和 不穩(wěn)定的平衡 。 參數(shù)的靈敏性： 各有關(guān)參數(shù)（ V， T， T冷等）有微小的變動，對反應器的溫度（或反應結(jié)果）有多大的變化。 如：參數(shù)的靈敏性過高，導致控制的精度過高，使反應器的操作十分困難。 ? 連續(xù)流動反應器操作穩(wěn)定性問題，類似于一個物體的力學穩(wěn)定性 反應器的熱穩(wěn)定性問題在工業(yè)生產(chǎn)上具有重要性，但這類問題一般比較復雜，荷蘭的 Van Heerden建立全混釜內(nèi)一級反應的熱穩(wěn)定性模型，將做介紹，其余情況反應器的熱穩(wěn)定性問題，考慮的思路與此相仿。 蝴蝶效應 以一級不可逆放熱反應為例 QR為放熱速率， QC為移熱速率 To為進料溫度 ， TC為冷卻溫度 T為反應溫度 ；放熱速率 QR隨溫度的變化呈 S形 曲線關(guān)系 ，則 呈線性 。 ? 反應器內(nèi)的放熱速率線和移熱線可能出現(xiàn)不只一個交點，即出現(xiàn)多個定常操作態(tài)，通常稱此現(xiàn)象為反應器的多重定常態(tài)。 ? 定常態(tài)中有些具有抗外界干擾的能力 —— 之為穩(wěn)定的定常態(tài)。 ? 不具有抗干擾能力的定常態(tài) —— 不穩(wěn)定的定常態(tài)。 ? 全混流攪拌反應器 要進行穩(wěn)定操作，就必須同時滿足物料平衡和熱量平衡，放熱速率與散熱速率必須相等，即 QR=QC，在 Q~T圖上，滿足這一條件的狀態(tài)必須是QR~T和 QC~T兩線的交點，前者是非線性的 S型曲線，后者是直線，兩線的交點可能不止一點，表示可能的熱平衡操作狀態(tài)點不止一個。 ? 例右圖的 a、 b、 c三點 QR QC T a b c ? 右圖中 C點符合放熱 =散熱速率的要求，如在 C點操作，因擾動而使體系溫度有一微量升高，△ T＞ 0，則操作溫度向右移動，此時 QC和 QR值都增 加，增量為△ QC和△ QR, △ QR △ QC ，即反應放熱量增加得比散熱量快，因而，熱量積累，使溫度更加升高，造成新的不平衡，一直增加到 b點溫度才又達到平衡。 Q T a b c QR QC ? 同理，如在 c點操作時，溫度的微小下降都會使放熱速度比散熱速率下降得更快，使體系很快下滑到 a點，可見 c點是假穩(wěn)定點 Q T a b c QR QC ? 右圖中 b點符合放熱 =散熱速率的要求，如在 b點操作，因擾動而使體系溫度有一微量升高，△ T＞ 0，則操作溫度向右移動，此時 Qc和 QR值都增加，增量為△ Qc和△ QR, △ QR △ Qc ， 即反應放熱量增加得比散熱量慢，因而，體系溫度趨于下降，如果擾動撤消，體系溫度將下降，回復到 b點的狀態(tài)。反過來，在 b點時如遇擾動而使溫度下降， △ T0，則散熱速率比放熱速率下降得快，所以熱量開始積累，體系溫度又會上升變回到 b點 —— 真穩(wěn)定點 Q T a b c QR QC ? a點的情況和 b點相似，a點也是真穩(wěn)定點。 ? a點的反應溫度低，放熱與散熱速率都比較小，其轉(zhuǎn)化率也比較低，在工業(yè)上不宜采用，否則設(shè)備利用率低。 b點的反應溫度高，放熱速率與散熱速率都比較高，其轉(zhuǎn)化率也比較高，故可以作為工業(yè)反應器的定態(tài)操作。 c點不能作為定態(tài)操作點，因為不能抗干擾。 Q T a b c QR QC 全混攪拌釜定常態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù) ? 要使一級反應的 CSTR進行穩(wěn)定的定常態(tài)操作，就必須滿足 QR=QC的條件，但這并不是充分條件，因為有真穩(wěn)定點和假穩(wěn)定點之分，真穩(wěn)定點有如下特征： ? 當反應體系溫度升高時△ T0，則△ QR △ QC ? 當反應體系溫度降低時△ T0，則△ QR△ QC ? 綜合上述兩種情況可以知 ? QR=QC 這兩條僅是 全混攪拌釜 熱穩(wěn)定性的必要條件，而不是充分條件 RdQ dQ cdT dT?