В общем виде уравнение теплового баланса записывается
Qприход = Qрасход,
где Qприход – количество тепла, поступающего в реактор в единицу времени, Qрасход – количество тепла, расходуемого в реакторе в единицу времени.
Тепло приходит в реактор с реагентами Qреаг. и выделяется (или поглощается) в результате химической реакции Qхим.р.
Qприход = Qреаг. ± Qхим.р.
Расход тепла происходит в результате уноса тепла с продуктами Qпрод., теплообмена с окружающей средой Qт/об.; часть тепла накапливается в реакторе Qнакоп..
Qрасход = Qпрод. ± Qт/об. + Qнакоп.
Qреаг. ± Qхим.р.= Qпрод. ± Qт/об. + Qнакоп.
Обозначим Qпрод.- Qреаг. = Qконв. – конвективный перенос тепла.
Тогда после преобразований получим
Qнакоп. = - Qконв. ± Qт/об. ± Qхим.р. - уравнение теплового баланса реактора в общем виде.
Если температура неодинакова в разных точках объема реактора или во времени, используют дифференциальную форму уравнения теплового баланса, выведенную для некоторого элементарного объема dx dy dz.
где ρ – плотность реакционной смеси; Ср – удельная теплоемкость реакционной смеси; x,y,z – пространственные координаты, Wx, Wy, Wz - составляющие скорости движения потока в направлении осей x,y,z; λ – коэффициент молекулярной и турбулентной теплопроводности реакционной смеси; Fуд. – удельная поверхность теплообмена; К – коэффициент теплопередачи; ∆Т = Т – Тт/нос. (Т – температура реакционной смеси, Тт/нос. – температура теплоносителя); rA - скорость химической реакции; ∆Н – тепловой эффект реакции.
Решение дифференциального уравнения связано с большими трудностями. Однако в каждом конкретном случае его можно упростить. Например, при стационарном режиме в проточных реакторах Qнакоп. = 0, для периодических реакторов отсутствует конвективный перенос тепла Qконв. = 0.
Выведем уравнения теплового баланса для различных гидродинамических и тепловых моделей реакторов.