Химические реакторы по тепловому режиму классифицируются по трем основным признакам на адиабатические, изотермические и политропные.
Основой для расчета реакторов с учетом теплового режима служит уравнение теплового баланса, составленного обычно на единицу времени. В общем виде это уравнение можно записать следующим образом:
. | (4.14) |
Для экзотермической реакции приход и расход тепла будет равен
, | (4.15) |
, | (4.16) |
где Qреаг – количество тепла, вносимого в реактор с исходными веществами; Qтх – количество тепла, выделяющегося при химической реакции; Qнак – количество тепла, накапливающегося в реакторе; Qпрод – количество тепла, уносимого продуктами; QF – количество тепла, выводимого теплообменом.
Подставив эти значения в уравнение (4.14), находим
, | (4.17) |
где Qконв= Qпрод- Qреаг (здесь Qконв – обозначает количество тепла, выносимого конвективным потоком).
уравнение теплового баланса в общем виде:
. | (4.14) |
Для экзотермической реакции приход и расход тепла будет равен
|
|
, | (4.15) |
, | (4.16) |
где Qреаг – количество тепла, вносимого в реактор с исходными веществами; Qтх – количество тепла, выделяющегося при химической реакции; Qнак – количество тепла, накапливающегося в реакторе; Qпрод – количество тепла, уносимого продуктами; QF – количество тепла, выводимого теплообменом.
Слайд 4.14 до далее слайд 4.15:
Подставив эти значения в уравнение (4.14), находим
, | (4.17) |
где Qконв= Qпрод- Qреаг (здесь Qконв – обозначает количество тепла, выносимого конвективным потоком).
Тогда:
. | (4.18) |
Полученное уравнение теплового баланса (4.18) может принимать различную форму в зависимости от типа реактора и теплового режима процесса.
Политропный режим.
В реакторе идеального смешения периодического действия Qконв= 0. Тогда уравнение (4.18) можно представить в виде:
. | (4.19) |
для экзотермической реакции можно принять, что:
, | (4.20) |
, | (4.21) |
. | (4.22) |
Слайд 4.15 до далее слайд 4.16:
Тогда, с учетом уравнений (4.20-4.22), уравнение (4.19) принимает вид, например, по реагенту А:
, | (4.23) |
где rA – инвариантная скорость химической реакции по реагенту А; – тепловой эффект химической реакции; ρ и – плотность и удельная теплоемкость реакционной смеси; Т – температура реакционной смеси; Fуд – удельная поверхность теплообмена (на единицу объема реакционной смеси); К – коэффициент теплопередачи; Δ Т = Т – Тхл (здесь Тхл – температура хладагента).
Политропный режим. В реакторе идеального смешения периодического действия Qконв= 0. Тогда уравнение (4.18) можно представить в виде
. | (4.19) |
В тоже время для экзотермической реакции можно принять, что
|
|
, | (4.20) |
, | (4.21) |
. | (4.22) |
Тогда, с учетом уравнений (4.20-4.22), уравнение (4.19) принимает вид, например, по реагенту А:
, | (4.23) |
где rA – инвариантная скорость химической реакции по реагенту А; – тепловой эффект химической реакции; ρ и – плотность и удельная теплоемкость реакционной смеси; Т – температура реакционной смеси; Fуд – удельная поверхность теплообмена (на единицу объема реакционной смеси); К – коэффициент теплопередачи; Δ Т = Т – Тхл (здесь Тхл – температура хладагента).
В реакторе идеального вытеснения изменение температуры происходит только в одном направлении – по длине реактора, тогда при Qнак = 0 в установившемся режиме получаем
(4.24) |
или
, | (4.25) |
где u – линейная скорость движения реакционной смеси (u=dl/dτ); l – длина реактора идеального вытеснения.
В реакторе идеального вытеснения Qнак = 0 в установившемся режиме получаем:
(4.24) |
Или
, | (4.25) |
где u – линейная скорость движения реакционной смеси (u=dl/dτ); l – длина реактора идеального вытеснения.
Слайд 4.16 до далее слайд 4.17:
Для реактора идеального смешения непрерывного действия отсутствует градиент параметров как во времени, так и в объеме реактора, поэтому уравнение теплового баланса составляют в целом для реактора. При установившемся режиме из уравнения (4.18) следует:
. | (4.26) |
Величины, входящие в это уравнения для рассматриваемого случая, принимают вид:
, | (4.27) |
, | (4.28) |
. | (4.29) |
С учетом этих уравнений уравнение (4.26) принимает вид
, | (4.30) |
где V – объем реакционной смеси; F – общая поверхность теплообмена в реакторе; rA – инвариантная скорость химической реакции по реагенту А.
Реактор идеального смешения непрерывного действия.
При установившемся режиме из уравнения (4.18) следует:
. | (4.26) |
Величины, входящие в это уравнение имеют вид:
, | (4.27) |
, | (4.28) |
. | (4.29) |