Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 52 )

Современные реакционные калориметры – это автоматизированные комплексы для исследования химических реакций, включающие в себя реактора различных размеров от нескольких десятков мл до нескольких литров, возможность управляемого нагрева в широком диапазоне температур, средства дозирования реагентов, разнообразные средства измерения параметров реакции, аналитические средства контроля реакции, средства оперативного сбора и отображения информации. Комплексы построены по модульному принципу, в которых необходимая конфигурация определяется пользователем и комплектуется из широкого набора модулей, согласованных друг с другом в пределах определенного стандарта.

Реакционные калориметры производятся несколькими фирмами: Mettler – Toledo (Швейцария) – калориметры теплового потока серии RС (RC1e Process Safety Workstation, EasyMax HF Cal, OptiMax HF Cal и т. д.)[3], Setaram (Франция) – реакционный калориметр DRC Evolution и т. д. [4], Syrris (Англия) – калориметры серии Chemsens [5], Systag (Швейцария) – Systag Calo2310 и др. [6], рядом других фирм.

Все указанные приборы (точнее, комплексы) позиционируются как средства разработки оптимальных и безопасных химических технологий, в первую очередь, в части решения проблем масштабного перехода [1]. Все они включают достаточно развитые средства управления экспериментом, сбора экспериментальных данных и определенное программное обеспечение в той или иной степени, позволяющее определять ряд характеристик термической безопасности. Однако, конечно, в составе программного обеспечения реакционных калориметров отсутствуют (по крайней мере, нам неизвестно об их наличии) такие мощные средства построения кинетических моделей и средства анализа термической безопасности, которые имеются в TSS. Несомненно, что использование современных реакционных калориметров как источников экспериментальной информации для TSS и дальнейшее применение TSS для кинетического анализа позволяет существенно повысить эффективность решения многих задач разработки химических технологий.

Программы первичной обработки TDPro и ADAExpert не предусматривают возможность их использования для обработки экспериментальных данных полупроточных и проточных реакторов. Такую функцию в системе TSS выполняет программа RCPro. Обсуждению проблем первичной обработки экспериментальных данных реакционной калориметрии в TSS посвящена настоящая глава.

В RCPro рассматривается кинетический эксперимент в условиях полупроточного реактора с мешалкой. Реактор имеет рубашку, в которую подается жидкий теплоноситель (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Реактор реакционного калориметра типа RC: а – принципиальная схема реактора; b - схема теплообмена

Предполагается, что интенсивность работы мешалки обеспечивает в реакторе режим идеального перемешивания. Кроме того, предполагается, что температура теплоносителя по всей рубашке одинакова. В эксперименте измеряется температура в реакторе Т и температура теплоносителя .

В реакторе могут поддерживаться различные режимы:

изопериболический – постоянная температура в рубашке; изотермический – температура в рубашке управляется так, чтобы температура в реакционном объеме была равной заданному значению по программе нагрева.

Реактор может работать в периодическом и полупериодическом режимах.

9.2. Теоретические основы реакционной калориметрии

9.2.1. Уравнение материального баланса

Уравнение материального баланса проточного реакционного калориметра в дифференциальной форме имеет вид:

                (9.1)

        (2)                         (3)                         (4)

где – число молей компонента i;

(t) – объемная скорость подачи компонента i;

концентрация компонента i при подаче в реактор;

(t) – текущая концентрация компонента i в реакторе;

–объемная скорость отбора компонента i из реактора;

V(t) – текущий объем реакционной массы;

скорость изменения числа молей компонента i по всем j реакциям;

- стехиометрический коэффициент компонента i в реакции j, – скорость реакции j.

В этом уравнении, входящие в него члены представляют собой:

(1) – скорость изменения количества компонента i;

(2) - скорость подачи компонента i;

(3) - скорость отбора компонента i;

(4) - скорость изменения компонента i в результате реакции.

Предполагается (для простоты), что в реакторе есть только один вход и один выход.

Текущий объем реакционной массы в реакторе и концентрации компонентов определяются выражениями:

               (9.2)

               (9.3)

где – плотность реакционной смеси (зависит от температуры);

– молекулярная масса компонента i.

Кинетический член в (9.1) определяется кинетической моделью реакции.

Начальные условия уравнения (9.1):

               (9.4)

Интегральная форма уравнения материального баланса, полученная в результате интегрирования (9.1), имеет вид:

               (9.5)

Если известны массовые скорости подачи и отбора из реактора и соответственно, то уравнение (9.5) можно представить в более простой форме:

               (9.6)

Следует сделать два замечания:

кинетический член в (9.1) описывает изменение состава реакционной смеси, но его нет в интегральной форме (9.5) и (9.6) в силу того, что химическая реакция не изменяет баланс массы в реакторе; уравнения материального баланса (9.1), (9.5) применимы к реакционным калориметрам любого вида.

9.2.2. Уравнение теплового баланса

Уравнение теплового баланса адиабатического реактора в общем случае имеет вид:

               (9.7)

где - скорость накопления тепла в реакторе;

W – скорость выделения тепла;

Р – сумма мощностей дополнительных источников.

Предполагается, что тепловой поток в/от рубашки соответствует закону Ньютона [7, 8]:

               (9.8)

где U – средний (или эффективный) коэффициент теплопередачи;

S – поверхность теплообмена.

U рассматривается состоящим из трех составляющих (в соответствии с рис. 9.1b):

               (9.9)

где – коэффициент теплопередачи через пограничный слой (пленку) от реакционной массы к стенке,