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, покидающей элементарный объем (выходной поток); Q_х.р. —теплота химической реакции (знак теплового эффекта зависит от того, происходит ли выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции); Q_т.о.— теплота, расходуемая на теплообмен с окружающей средой (в зависимости от соотношения температур в реакторе и в окружающей среде или в тепло- обменном устройстве этот поток может быть также направлен и в объем и из него);Q_ф.пр.— теплота фазовых превращений.

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

Q_вх – Q_вых ± Q_х.р. ± Q_т.о. ± Q_ф.пр. = 0 (45)

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

Q_вх – Q_вых ± Q_х.р. ± Q_т.о. ± Q_ф.пр. = Q_нак. (46)

Уравнения (45) и (46) 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.

Изотермический режим характеризуется тем, что 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 (47)

|Q_х.р. | = |Q_т.о.| (48)

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:

|Q_вх – Q_вых | = | Q_х.р. | (49)

Промежуточный 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 (45).

Для расчетов на основе математической модели изотермических реакторов, как правило, 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.

Ниже рассматриваются особенности составления математических моделей и расчетов на их основе для неизотермических реакторов с различной гидродинамической обстановкой.

Дата добавления: 2015-08-20