Уравнение теплового баланса. Тепловые режимы химических реакторов

Лекция 13

Теплоперенос в химических реакторах

Характер распределения температуры в химическом реакторе чрезвычайно важен при анализе протекающих в нем процессов, так как температура – один из основных параметров технологи­ческого режима. От температуры, во-первых, зависят состояние химического равновесия и предельно достижимая степень превра­щения реагентов (равновесная), во-вторых, скорость химических реакций. Кроме того, от температуры зависит селективность при проведении сложных реакций. Изменение температуры может привести к переходу гетерогенного процесса из кинетической об­ласти в диффузионную или наоборот. Нарушение равномерного распределения температуры в реакторе может привести к локальным перегревам и другим нежелательным побочным явлениям.

Изменение температуры в реакторе в целом или изменение распределения температуры по объему реактора происходит вслед­ствие протекающих в нем процессов, сопровождающихся выделе­нием или поглощением теплоты, а также вследствие теплообмена реактора с окружающей средой.

Существенное влияние на характер распределения температуры оказывает гидродинамическая обстановка в аппарате. Например, в реакторе идеального смешения, в силу допущений об идеальности, все параметры процесса, в том числе и температура, в данный момент времени одинаковы в любой точке реактора. Напротив, в реакторе вытеснения температура может быть раз­личной в разных точках аппарата. Интенсивность перемешивания влияет и на интенсивность теплообмена в аппарате.

Все тепловые явления учитываются при составлении теплово­го баланса химическою реактора.

Уравнение теплового баланса. Тепловые режимы химических реакторов

В уравнении теплового баланса учитываются все тепловые по­токи, входящие в реактор и выходящие из него. Такими потоками являются: Q_вх – физическая теплота реакционной смеси, входящей в элементарный объем, для которого составляется баланс (входной поток); Q_вых – физическая теплота реакционной смеси, покидаюшсй элементарный объем (выходной поток); Q_хр – теплота химической реакции (знак теплового эффекта зависит от того, происходит ли выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции); Q_то – теплота, расходуемая на теплообмен с окружающей средой (в зависимости от соотношения температур в реакторе и окружающей среде или в теплообменном устройстве этот поток может быть также направлен и в объем, и из него); Q_фп – теплота фазовых превращений.

Для стационарного режима работы реактора алгебраическая сумма всех тепловых потоков равна нулю:

Q_вх – Q_вых ± Q_хр ± Q_то ± Q_фп = 0 (13.1)

В нестационарном режиме происходит положительное или отрицательное накопление теплоты в элементарном объеме:

Q_вх – Q_вых ± Q_хр ± Q_то ± Q_фп = Q_нак (13.2)

Уравнения (13.1) и (13.2) являются общими уравнениями тепло­вого баланса химического реактора. Конкретный вид уравнения теплового баланса зависит от вида теплового режима и гидродина­мической обстановки в реакторе. Различают несколько видов теп­ловых режимов химических реакторов. Рассмотрим различные тепловые режимы реакторов, в которых не происходит фазовых превращений.

В изотермическом режиме температура реакционной смеси, входящей в реактор, равна температуре в реакторе и температуре смеси, покидающей реактор. Это возможно, если выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции полностью компенсируется теплообменом с окружающей средой. Для стацио­нарного изотермического режима при постоянстве физических свойств системы можно записать:

Q_вх = Q_вых

и, следовательно,

| Q_хр | = | Q_то |

Адиабатический режим характеризуется полным отсутствием теплообмена с окружающей средой. В этом случае вся теплота хи­мической реакции полностью расходуется на нагрев или охлаж­дение реакционной смеси. Для стационарного адиабатического режима, при отсутствии фазовых превращений

|Q_вх – Q_вых| = |Q_хр|

Промежуточный (политермический) режим характеризуется тем, что частично теп­лота химической реакции расходуется на изменение теплосодержания (нагрев или охлаждение) реакционной смеси, частично – на теплообмен с окружающей средой. Этот режим наиболее часто встречается в реальных химических реакторах. Промежуточный тепловой режим описывается полным уравнением теплового ба­ланса (13.1).

Ранее мы рассмотрели математические модели изотермических реакторов. Для расчетов на основе этих моделей, как правило, было достаточно лишь уравнения материального баланса. При расчете неизотермического реактора необходимо совместно ре­шить систему уравнений материального и теплового балансов, из которых первое учитывает изменение количества вещества, а вто­рое – изменение количества теплоты при протекании химическо­го процесса.

Рассмотрим некоторые особенности составлении математиче­ских моделей и расчетов на их основе для неизотермических реак­торов с различной гидродинамической обстановкой.