13 Теплоперенос в химических реакторах

От температуры зависят:

– химическое равновесие и степень превращения;

– скорость химической реакции;

– селективность сложных реакций.

Кроме этого, меняя температуру, гетерогенный процесс можно перевести в гомогенный, а для гетерогенного процесса изменить область протекания. Нарушение теплового режима в реакторах может привести к перегревам, и, следовательно, к нежелательным побочным явлениям.

Существенное влияние на распределение температуры оказывает гидродинамическая обстановка в аппарате. По определению в РИС она одинакова во всех точках объема, а в РИВ – разная по длине реактора.

Интенсивность перемешивания также влияет на условия теплообмена в реакторах.

В уравнении теплового баланса учитываются все тепловые потоки, входящие и выходящие из него:

, (13.1)

где Q_вх – тепло, вносимое в реактор реакционной смесью;

Q_вых – тепло, выносимое из реактора реакционной смесью;

Q_х.р. – теплота химической реакции;

Q_ф.п. – теплота фазовых переходов;

Q_т.о. – тепло, отбираемое от реакционной смеси окружающей средой;

Q_нак. – тепло, накапливаемое в реакторе.

Теплота фазовых переходов Q_ф.п. не всегда встречается, а если встречается, то составляет менее 15 % от суммарных затрат, поэтому для облегчения расчетов величину Q_ф.п. исключают из уравнения теплового баланса:

. (13.2)

Если реактор работает в стационарных условиях, то не происходит накопления тепла в реакторе:

. (13.3)

Реактор может работать в трех тепловых режимах:

- в изотермических условиях:

; ; (13.4)

- в адиабатных условиях:

; (13.5)

- в промежуточных (политропных) условиях – тепло химической реакции частично затрачивается на нагрев реакционной смеси, а частично отводится:

. (13.6)

13.1 РИС-Н в неизотермическом режиме

Тепловой баланс реактора:

. (13.7)

Значения Q_вх и Q_вых определим следующим образом:

; (13.8)

, (13.9)

где – объемные расходы реакционной смеси на входе и выходе из реактора;

С_р0, С_р – удельные теплоемкости реакционной смеси на входе и выходе из реактора;

– плотности реакционной смеси на входе и выходе из реактора;

Т₀,Т – температуры реакционной смеси на входе и выходе из реактора;

– время.

Теплоту химической реакции определим по уравнению:

, (13.10)

где ΔΗ – изменение энтальпии химической реакции;

V – объем реакционной смеси;

W_rА – скорость химической реакции.

Тепло, отбираемое от реакционной смеси окружающей средой определим по уравнению теплопередачи:

, (13.11)

где К – коэффициент теплопередачи;

А – поверхность теплопередачи;

Т_m.о – температура хладо(тепло)агента.

Тепло, накапливаемое в реакторе, определим по уравнению

Q_нак=d(V C_p ^{. .}T) . (13.12)

После подстановки и преобразований получим

. (13.13)

Если V=const, то

. (13.14)

Если реактор работает в стационарных условиях, то справа будет нуль.

Принимаем, что ; реактор работает в стационарных условиях.

(13.15)

Ранее (см. пункт 8.4) для РИС-Н получено:

,

а, следовательно,

. (13.16)

Уравнения теплового и материального балансов взаимосвязаны, так как в них входит скорость химической реакции, которая зависит от концентрации C_A и T.

Чем выше температура T, тем выше скорость химической реакции W_rA, тем выше степень превращения X_A при одном значении . Но рост степени превращения автоматически должен приводить к понижению скорости реакции. В РИС-Н устанавливаются степень превращения X_A и температура T, которые одновременно должны удовлетворять уравнениям материального и теплового баланса.

Решая совместно уравнения теплового и материального балансов (13.5) и (13.6) при и начальной температуре T₀, можно определить степень превращения X_A и температуру T, удовлетворяющие этим уравнениям.