- •О главление
- •Введение
- •Глава 1 химико-технологический процесс и его содержание
- •§ 1.1. Классификация химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов
- •§ 1.2. Стехиометрия химических реакций
- •§ 1.3. Технологические критерии эффективности химико-технологического процесса
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 2 термодинамические расчеты химико-технологических процессов
- •§ 2.1. Равновесие химических реакций
- •§ 2.2. Способы смещения равновесия
- •§ 2.3. Зависимость константы равновесия от температуры
- •§ 2.4. Расчет равновесия по термодинамическим данным
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 3 использование законов химической кинетики при выборе технологического режима и моделировании химических процессов
- •§ 3.1. Скорость гомогенных химических реакций
- •§ 3.2. Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагентов. Кинетические уравнения
- •§ 3.3. Способы изменения скорости простых и сложных реакций
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 4 общие сведения о химических реакторах
- •§ 4.1. Моделирование химических реакторов и протекающих в них химических процессов
- •§ 4.2. Структура математической модели химического реактора
- •§ 4.3. Уравнение материального баланса для элементарного объема проточного химического реактора
- •§ 4.4. Классификация химических реакторов и режимов их работы
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 5 химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме
- •§ 5.1. Реактор идеального смешения
- •§ 5.2. Реактор идеального вытеснения
- •§ 5.3. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения
- •§ 5.4. Каскад реакторов идеального смешения
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 6 теплоперенос в химических реакторах
- •§ 6.1. Уравнение теплового баланса. Тепловые режимы химических реакторов
- •§ 6.2. Проточный реактор идеального смешения в неизотермическом режиме
- •§ 6.3. Тепловая устойчивость химических реакторов
- •§ 6.4. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 7 гетерогенные процессы
- •§ 7.1. Общие особенности
- •§ 7.2. Диффузионные стадии
- •§ 7.3. Гетерогенные некаталитические процессы в системе «газ – твердое вещество»
- •§ 7.4. Гетерогенные процессы в системе «газ – жидкость»
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Глава 8 гетерогенно-каталитические процессы
- •§ 8.1. Общие представления о катализе
- •§ 8.2. Технологические характеристики твердых катализаторов
- •§ 8.3. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно-каталитических процессов
- •Вопросы и упражнения для повторения и самостоятельной работы
- •Список литературы
- •Общая химическая технология Химические процессы и реакторы
Глава 6 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 разогревам, нежелательным побочным явлениям и т. д.
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 химического реактора.
§ 6.1. 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: Qвых – физическая теплота реакционной смеси, входящей в элементарный объем, для которого составляется баланс (входной поток); Qвых – физическая теплота реакционной смеси, покидающей элементарный объем (выходной поток); Qxp – теплота химической реакции (знак теплового эффекта зависит от того, происходит ли выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции); Qто – 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); Qфп – теплота фазовых превращений.
Для стационарного режима работы реактора алгебраическая сумма всех тепловых потоков равна нулю:
Qвх – Qвых ± Qхр ± Qто ± Qaп = 0. (6.1)
В нестационарном режиме происходит положительное или отрицательное накопление теплоты в элементарном объеме:
Qвх – Qвых ± Qхр ± Qто ± Qaп = Qнак. (6.2)
Уравнения (6.1) и (6.2) 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:
Qвх = Qвых,
| Qхр |=| Qто |.
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
| Qвх | – | Qвых | = | Qхр |.
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 (6.1).
В главе 5 были рассмотрены математические модели изотермических реакторов. Для расчетов на основе этих моделей, 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.