反應(yīng)過程熱量量測原理

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1、反應(yīng)過程熱量量測原理反應(yīng)量熱器在目前的應(yīng)用，常用在工藝研發(fā)、化工安全設(shè)計及基本的化學(xué)反應(yīng)研究。理論上反應(yīng)熱卡計，是一種以反應(yīng)物與夾套內(nèi)循環(huán)熱流物質(zhì)的能量平衡作為基礎(chǔ)，研究化學(xué)反應(yīng)放(吸)行為的實驗設(shè)備，藉由加熱(冷卻)夾套內(nèi)循環(huán)熱流物質(zhì)與反應(yīng)物形成溫差，產(chǎn)生能量在兩區(qū)域間傳送來加熱或冷卻反應(yīng)物。利用夾套熱媒，作為溫度控制的批次或半批次攪拌槽中，假設(shè)反應(yīng)的放熱速率為Qr、冷卻系統(tǒng)自反應(yīng)槽移走熱量的速率為Qrem、反應(yīng)槽本身會因為輻射及熱對流等作用所造成的熱損失為Qloss、反應(yīng)槽內(nèi)容物所蓄積的熱量為Qaccum、將進(jìn)料的溫度由Tf加熱至Tr的熱量為Qdose，則整個反應(yīng)系統(tǒng)

2、的能量平衡關(guān)系可以(1)式表示：(1)且(2)(3)其中，Cp：比熱m：質(zhì)量r：反應(yīng)物h：反應(yīng)器f：進(jìn)料各項所代表的物理意義：Qrem—循環(huán)系統(tǒng)冷卻(移除熱)速率5Qloss—反應(yīng)槽因輻射、對流的熱量損失Qaccum—進(jìn)料產(chǎn)生的溫度變化Qdose—進(jìn)料物質(zhì)的顯熱或潛熱將測得反應(yīng)程序的Qrem、Qloss、Qaccum、Qdose等各值代入(1)式，即可求得整體反應(yīng)熱(Qr)。而Qrem和Qdose則可由實驗的結(jié)果直接代入(2)、(3)式計算求得;Qrem與Qloss可透過不同實驗方法，以不同的方式量測計算。已知量測Qrem與Qloss的方法有四種：1.熱流法、2.熱平衡法

3、、3.電熱補(bǔ)償法、4.回流法。1.熱流法大部份的反應(yīng)量熱器常用這種方法量測。利用反應(yīng)物與熱媒間的熱傳，例如：熱媒的溫度(夾套的溫度)Tj和反應(yīng)器的溫度Tr，在任何時間里，熱被移除的量Qrem可由式(4)計算出來：(4)U為在反應(yīng)器和冷卻劑間的總熱傳系數(shù)，而A為發(fā)生熱交換的面積。熱量會從反應(yīng)物穿過反應(yīng)器槽壁，傳到反應(yīng)器夾套中的熱媒，在實際的系統(tǒng)中，當(dāng)應(yīng)用到式(4)來測量所釋放的熱量時，須要考慮到經(jīng)由反應(yīng)器的熱損失(QL)。經(jīng)由反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，可從式(5)得到：(5)當(dāng)反應(yīng)量熱器使用熱流法，UA和QL可由在適當(dāng)條件下的實驗中得到。如要研究反應(yīng)器的溫度Tr，讓我們假設(shè)整個系統(tǒng)，

4、在開始反應(yīng)之前是穩(wěn)定的，5為夾套溫度的基線，通常是比Tr大，因為要補(bǔ)償在反應(yīng)平衡的期間，從反應(yīng)器損失的熱。則熱損失QL為：(6)將式(6)代入式(5)得到：(7)所以，如夾套溫度基線是已知的，從這夾套溫度基線和夾套溫度的差值，可得到由反應(yīng)所產(chǎn)生的熱。實際上，在實驗中反應(yīng)開始和結(jié)束，可得到兩條基線(或更多)。為了計算，再次用到式(7)，輸入一個已知的校正功率Qc來取代Qr：(8)因為熱傳會在反應(yīng)的過程中改變，UA也是在兩點(或更多點)間計算出來。當(dāng)冷卻劑的黏度是低的，而更重要地是黏度的改變是小的，才可使用熱流法。而這個方法，不能用夾套來移除反應(yīng)熱。2.熱平衡法標(biāo)準(zhǔn)的夾套反應(yīng)

5、器，藉由硅油流過夾套來進(jìn)行加熱或是冷卻的功能，在硅油上的熱平衡：(9)為硅油流率，Cp為比熱，為夾套進(jìn)口和出口的溫差，QL為熱損失。假設(shè)在任何的化學(xué)反應(yīng)之前，為一個穩(wěn)定的狀態(tài)，而硅油的溫差：5(10)結(jié)合式(9)和(10)：(11)從硅油溫差和反應(yīng)釋放熱量的基線值之比較，熱量由夾套本身損失，而這些熱損失則可看成常數(shù)(可忽略)。如果硅油的顯熱能得知，則使用此法可免去校正的步驟，也可節(jié)省時間和增加數(shù)據(jù)的可靠性，不會因為黏度，或是其它物理性質(zhì)改變的影響，而產(chǎn)生誤差。3.電熱補(bǔ)償法圖一電熱補(bǔ)償法如圖一所示，反應(yīng)槽的溫度，利用電熱加熱器控制在一定的溫度。當(dāng)進(jìn)料時，反應(yīng)物的溫度受到的

6、影響，和反應(yīng)進(jìn)行時的熱量變化，都可從電熱加熱器的功率變化，觀察得知。反應(yīng)器的熱傳面積是固定的，而反應(yīng)物為液體時，可利用電加熱器，提供一個熱源在反應(yīng)物上。在任何化學(xué)反應(yīng)之前，功率Qp是一個固定的常數(shù)，這會在冷卻循環(huán)產(chǎn)生一個已知的反應(yīng)：5(12)假設(shè)當(dāng)反應(yīng)開始發(fā)生，Qp會減少，因為這是要剛好的去抵消反應(yīng)所釋放的熱，所以式(12)的右邊是不變的，而功率的差剛好是反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。4.回流法：此法需要利用冷凝管和分餾管線，移除混合反應(yīng)產(chǎn)生的蒸氣熱量，以達(dá)到熱平衡。系統(tǒng)在反應(yīng)前，加入固定的熱量，來穩(wěn)定反應(yīng)器的溫度，如此做法可以確定基線值。從這條基線可看出，冷凝器對應(yīng)的固定熱量輸入。

7、設(shè)加入的熱量為Qb，冷凝劑流過冷凝器的溫差為：(13)和Cpc分別是冷凝劑的質(zhì)量流率和比熱。當(dāng)反應(yīng)開始，設(shè)溫度變化從到，流率為，產(chǎn)生新的熱平衡式：(14)利用式(13)消去(Qb-QL)：(15)設(shè)冷凝劑流率為常數(shù)(=)時，則式(15)可簡化成：(16)5