Тепловой баланс составляется с целью определения теплового режима работы реактора.

Реактор может работать в следующих тепловых режимах:

1. Изотермический (температура на входе в реактор и на выходе одинакова);

2. Адиабатический (отсутствует теплообмен с окружающей средой);

3. Смешанный или политропный тепловой режим.

В основе теплового баланса лежит закон сохранения энергии, согласно которому

åQ_прих. = åQ_расх. +åQ_пот

åQ_прих – характеризует сумму всех входящих тепловых потоков;

åQ_расх – сумма всех выходящих тепловых потоков;

±åQ_пот – суммарные тепловые потери.

Для изотермического режима уравнение теплового баланса:

Q_реаг ± Q_r. ± Q_ф ± Q_F = Q_прод,+ Q_нагр. + Q_пот.

где Q_реаг – количество тепла, поступающего с исходными реагентами;

Q_r – тепло химических реакций;

Q_ф – тепло фазовых переходов;

Q_нагр – количество тепла, необходимое для нагрева сырья до температуры реакции.

Q_пот не должно превышать 5%.

В отличие от материального баланса, тепловой баланс не всегда сходится.

Приход тепла:

Q_реаг – тепло, входящее в реактор с исходными реагентами;

Q_реаг=∑ Q_i

Q_{реаг, i} = G_i×Cp_i×T_i

где G_i – мольный поток i-го реагента;

Cp_i – теплоемкость i-го реагента, (Дж·моль)/К;

- тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате химических превращений:

G_i(j)

где - тепловой эффект химической реакции, (Дж·моль)/К;

G_i(j) – мольный поток i-го реагента, участвующего в реакции (или полученного j-го продукта реакции);

- тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате фазовых превращений (испарение, конденсация, кристаллизация, плавление, возгонка, растворение):

G_i(j)ф

где G_i(j)ф – мольный поток i-го реагента (j-го продукта), претерпевающегося фазовый переход;

- энтальпия фазового перехода, кДж/моль (справочная величина).

Расход тепла:

Q_прод – тепло, выходящее из реактора с продуктами реакции;

Q_прод Q_{прод, j}

Q_{прод, j} = G_j×Cp_j×T_j

где G_j – мольный поток j-го продукта реакции;

Cp_j – теплоемкость j-го продукта реакции, Дж/(моль·К);

T_j – температура j-го продукта реакции, К.

Q_нагр – количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры реакции:

Q_нагр,i = ∑[G_i×Cp_i× (T_i,r – T_i)]

где G_i – мольный поток i - реагента, подвергаемый нагреву;

Cp_i – теплоемкость i- реагента, Дж/(моль·К);

T_i – температура i- реагента на входе в реактор;

T_i,r – температура i- реагента на выходе из реактора.

Q_пот – тепловые потери (1 – 5% от прихода тепла);

Q_пот = (0,01– 0,05)∙Q_{прих ,}

±Q_F – количество тепла, отводимое (подводимое) от реактора при помощи теплоносителя (хладоагента). Тепловая нагрузка на реактор.

Исходя из тепловой нагрузки на реактор, рассчитывают необходимую поверхность теплообмена F.

Q_F рассчитывают по уравнению:

±Q_F = Q_расх. - Q_прих

, м² ,

где К_t – коэффициент теплопередачи; ∆Т – движущая сила теплопередачи (разность между температурой реакции и температурой теплоносителя).

После нахождения поверхности теплообмена F осуществляют ее анализ, сравнивая с поверхностью теплообмена, имеющемся у реактора.

F<F_r (поверхность реактора) – справочная величина;

F>F_r – интенсифицируют процесс теплообмена (изменяют К и ∆T) или вводят дополнительные теплообменные устройства.

F≈F_r – неустойчивый тепловой режим, но интенсифицировать его проще.

Тепловой баланс записывается в виде уравнения, диаграммы или таблицы.