Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 53 )

– теплопроводность материала стенки реактора;

– толщина стенки;

– коэффициент теплопередачи через пограничный слой (пленку) от стенки к охлаждающей (нагревающей) жидкости.

U и S зависят от многих факторов и могут изменяться в ходе эксперимента. В частности, S может изменяться пропорционально изменению объема реакционной массы в результате операций подачи и вывода реагентов, изменения плотности реакционной массы вследствие изменений ее состава и термического расширения, выделения газообразных продуктов. зависит от условий перемешивания (скорости вращения мешалки и ее геометрии), вязкости реакционной массы, которая меняется в ходе процесса из-за изменения состава реакционной массы.

Известны приближенные методы оценки и [8]. Однако в большинстве случаев необходимая для таких оценок информация отсутствует. Поэтому обычный путь получения таких оценок - их экспериментальное определение в результате выполнения калибровок с использованием эффекта Джоуля. Ряд реакционных калориметров, например, RC "Меттлер", имеют для выполнения таких калибровок встроенные нагреватели, помещенные в реакционную массу. Калибровка выполняется подачей импульсов нагрева известной мощности.

Скорость тепловыделения от химической реакции W определяется кинетическим членом W = *, где - удельный тепловой эффект стадии j. При кинетическом исследовании определение W - главная задача всей работы.

Сумма мощностей всех дополнительных источников Р, входящая в уравнение теплового баланса (9.7) включает в себя мощность, подаваемую в реакционную массу при калибровке , мощность, генерируемую мешалкой и т. д. Составляющая всегда известна с достаточно большой точностью. Иные составляющие (суммарно) могут быть учтены в виде сигнала базовой линии из "холостого" опыта.

Накопление тепла в реакторе определяется зависимостью:

               (9.10)

где – теплоемкость реакционной массы;

– термическая инерция:

               (9.11)

где – масса реактора;

– удельная теплоемкость материала реактора.

Отметим, что теплоемкость реакционной массы зависит от ее состава и меняется во времени.

Изменение энтальпии, связанное с подачей компонентов в реактор, можно записать в следующем виде:

               (9.12)

где – удельная молярная теплоемкость i – го компонента;

– температура подаваемых в реактор веществ;

или

               (9.13)

где – теплоемкость единицы массы подаваемых в реактор реагентов.

Теплопотери при калибровке по эффекту Джоуля.

В результате может быть представлено следующее уравнение теплового баланса:

               (9.14)

или

               (9.15)

Рис. 9.2. Температура реактора при эксперименте в полупроточном режиме: 1 – температура рубашки, 2 – температура реакционной смеси, 3 – циклы дозирования, 4 – калибровочные импульсы

Заметим, что с целью упрощения эти уравнения не учитывают влияние на тепловой баланс вывод реагентов из реактора.

Рис. 9.3 показывает вклад различных составляющих в тепловой баланс реактора. Все величины представлены на единицу начальной массы смеси.

Рис. 9.3. Вклад различных составляющих в тепловой баланс: 1 – W, 2 -

В качестве примера на рис.9.2 показаны типичные результаты экспериментов, проведенных в калориметре RC. На рисунке отображены два такта дозирования и три коротких калибровочных импульса. Температура подачи реагентов равна комнатной, что приводит к снижению температуры реакционной массы в реакторе.

Как было указано, одной из основных проблем "классического" реакционного калориметра типа RC является сложная зависимость параметров теплообмена U и S в (9.15) от различных факторов, таких как изменение объема реакционной смеси, вязкости смеси, скорости течения теплоносителя в рубашке, геометрии и скорости вращения мешалки и т. д. Даже "on-line" калибровка (т. е. калибровка непосредственно в ходе эксперимента) не решает эти проблемы. Поэтому были предложны несколько модификаций классического реакционного калориметра, в которых определение теплового потока от реагирующей смеси к стенке реактора не требует знания параметров теплообмена.

Оригинальное решение этой проблемы предложено и реализовано в реакционном калориметре RC CPA 202 "Chemisens" [5]. Калориметрический блок этого прибора показан схематически на рис.9.4.

Рис.9.4. Схема реактора реакционного калориметра CPA 202: 1 – реактор, 2 – термически изолированные стенки реактора, 3 – крышка реактора, 4 – объем с термостатирующей жидкостью, 5 – датчик теплового потока, 6 –элемент Пельтье.

Реактор 1 имеет термически изолированные стенки 2 так, что почти весь тепловой поток от исследуемого процесса проходит через крышку реактора, которая находится в хорошем термическом контакте с датчиком теплового потока 5. Этот датчик предварительно откалиброван, так что его сигнал пропорционален тепловому потоку и не зависит от коэффициента теплопереноса. Поэтому необходимость в "on-line" калибровке отпадает и измеряется непосредственно в эксперименте. Элемент Пельтье 6 [9], расположенный непосредственно под датчиком теплового потока, используется для поддержания необходимой температуры в реакторе. Для минимизации неконтролируемых теплопотерь реактор погружен в объем с термостатированной жидкостью. Температура этой жидкости поддержиаается близкой к температуре реактора (различие менее 1). Высокая масса жидкости обеспечена высокая термическая стабильность. Тепловой баланс реакционного калориметра (далее называется реакционным калориметром типа HF – "истинный" реакционный калориметр теплового потока) представляется уравнением: