Лекция № 14 Теплоперенос в химических реакторах

Температура оказывает существенное влияние на скорость химического процесса и другие показатели его эффективности. При проведении реакций разного типа требуется различный температурный режим. Под температурным режимом реактора понимают поддержание в нем необходимой и оптимальной для данного процесса температуры. В промышленной практике используют два типа температурного режима:

• режим постоянных температур

• режим переменных температур.

Выбор режима определяется, в основном, технологическим классом реакции.

Тип реакции	Критерии эффективности процесса	Температурный режим
1. Простая необратимая реакция	скорость реакции при Т↑ r↑	постоянная максимально оптимальная температура или повышающийся температурный режим
2. Простая обратимая реакция а) эндотермическая или слабо экзотермическая б) сильно экзотермическая	скорость реакции, положение равновесия при Т↑ r↑, α*↑ при Т↑ r↑, α*↓	постоянная максимально оптимальная температура понижающийся температурный режим
3. Сложные реакции а) Еа цел.р.= Еа побоч..р. б) Еа цел.р.>Еа побоч..р. в) Еа цел.р.< Еа побоч..р.	скорость реакции, селективность при Т↑ r↑,S=const при Т↑ r↑,S↑ при Т↑ r↑,S↓	постоянная максимально оптимальная температура постоянная максимально оптимальная температура постоянная минимально оптимальная температура

Температура в реакторе может изменяться по двум причинам:

• за счет протекания химической реакции (если реакция экзотермическая, температура повышается, если эндотермическая – понижается);

• за счет теплообмена с окружающей средой, то есть температура в реакторе зависит от теплового режима реактора.

По тепловому режиму выделяют три модели реакторов: адиабатический, изотермический и политропический.

Учет всех тепловых явлений осуществляется при составлении теплового баланса реактора, уравнение которого, наряду с уравнением материального баланса, является основой для расчета реакторов.

Уравнение теплового баланса реактора

В общем виде уравнение теплового баланса записывается

Q_приход=Q_расход,

где Q_приход– количество тепла, поступающего в реактор в единицу времени,Q_расход– количество тепла, расходуемого в реакторе в единицу времени.

Тепло приходит в реактор с реагентами Q_реаг.и выделяется (или поглощается) в результате химической реакцииQ_хим.р.

Q_приход=Q_реаг.±Q_хим.р.

Расход тепла происходит в результате уноса тепла с продуктами Q_прод., теплообмена с окружающей средойQ_т/об.; часть тепла накапливается в реактореQ_накоп..

Q_расход=Q_прод.±Q_т/об.+Q_накоп.

Q_реаг.±Q_хим.р.=Q_прод.±Q_т/об.+Q_накоп.

Обозначим Q_прод.-Q_реаг.=Q_конв.– конвективный перенос тепла.

Тогда после преобразований получим

Q_накоп.= -Q_конв.±Q_т/об.±Q_хим.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 dxdydz.

где ρ – плотность реакционной смеси; С_р– удельная теплоемкость реакционной смеси;x,y,z– пространственные координаты,W_x,W_y,W_z- составляющие скорости движения потока в направлении осейx,y,z; λ – коэффициент молекулярной и турбулентной теплопроводности реакционной смеси;F_уд.– удельная поверхность теплообмена; К – коэффициент теплопередачи; ∆Т = Т – Т_т/нос.( Т – температура реакционной смеси, Т_т/нос.– температура теплоносителя);r_A- 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 Q_накоп.= 0, для периодических реакторов отсутствует конвективный перенос теплаQ_конв.= 0.

Выведем уравнения теплового баланса для различных гидродинамических и тепловых моделей реакторов.