反应过程热量量测原理

1、反应过程热量量测原理反应量热器在目前的应用，常用在工艺研发、化工安全设计及基本的化学反应研究。理论上反应热卡计，是一种以反应物与夹套内循环热流物质的能量平衡作为基础，研究化学反应放(吸)行为的实验设备，藉由加热(冷却)夹套内循环热流物质与反应物形成温差，产生能量在两区域间传送来加热或冷却反应物。利用夹套热媒，作为温度控制的批次或半批次搅拌槽中，假设反应的放热速率为Qr、冷却系统自反应槽移走热量的速率为Qrem、反应槽本身会因为辐射及热对流等作用所造成的热损失为Qloss、反应槽内容物所蓄积的热量为Qaccum、将进料的温度由Tf加热至Tr的热量为Qdose，则整个反应系统的能量平衡关系可以(1

2、)式表示：(1)且 (2) (3)其中，Cp：比热m：质量r ：反应物h：反应器f：进料各项所代表的物理意义：Qrem循环系统冷却(移除热)速率Qloss反应槽因辐射、对流的热量损失Qaccum进料产生的温度变化Qdose进料物质的显热或潜热将测得反应程序的Qrem、Qloss、Qaccum、Qdose等各值代入(1)式，即可求得整体反应热(Qr)。而Qrem和Qdose则可由实验的结果直接代入(2)、(3)式计算求得;Qrem与Qloss可透过不同实验方法，以不同的方式量测计算。已知量测Qrem与Qloss的方法有四种：1. 热流法、2. 热平衡法、3. 电热补偿法、4. 回流法。1. 热流

3、法大部份的反应量热器常用这种方法量测。利用反应物与热媒间的热传，例如：热媒的温度(夹套的温度)Tj和反应器的温度Tr，在任何时间里，热被移除的量Qrem可由式(4)计算出来：(4)U为在反应器和冷却剂间的总热传系数，而A为发生热交换的面积。热量会从反应物穿过反应器槽壁，传到反应器夹套中的热媒，在实际的系统中，当应用到式(4)来测量所释放的热量时，须要考虑到经由反应器的热损失(QL)。经由反应所产生的热，可从式(5)得到： (5)当反应量热器使用热流法，UA和QL可由在适当条件下的实验中得到。如要研究反应器的温度 Tr，让我们假设整个系统，在开始反应之前是稳定的，为夹套温度的基线，通常是比Tr大

4、，因为要补偿在反应平衡的期间，从反应器损失的热。则热损失QL为： (6)将式(6)代入式(5)得到： (7)所以，如夹套温度基线是已知的，从这夹套温度基线和夹套温度的差值，可得到由反应所产生的热。实际上，在实验中反应开始和结束，可得到两条基线(或更多)。为了计算，再次用到式(7)，输入一个已知的校正功率Qc来取代Qr： (8)因为热传会在反应的过程中改变，UA也是在两点(或更多点)间计算出来。当冷却剂的黏度是低的，而更重要地是黏度的改变是小的，才可使用热流法。而这个方法，不能用夹套来移除反应热。2. 热平衡法标准的夹套反应器，藉由硅油流过夹套来进行加热或是冷却的功能，在硅油上的热平衡：(9)

5、为硅油流率，Cp为比热，为夹套进口和出口的温差，QL为热损失。假设在任何的化学反应之前，为一个稳定的状态，而硅油的温差：(10)结合式(9)和(10)： (11)从硅油温差和反应释放热量的基线值之比较，热量由夹套本身损失，而这些热损失则可看成常数(可忽略)。如果硅油的显热能得知，则使用此法可免去校正的步骤，也可节省时间和增加数据的可靠性，不会因为黏度，或是其它物理性质改变的影响，而产生误差。3. 电热补偿法图 电热补偿法如图一所示，反应槽的温度，利用电热加热器控制在一定的温度。当进料时，反应物的温度受到的影响，和反应进行时的热量变化，都可从电热加热器的功率变化，观察得知。反应器的热传面积是固定的，而反应物为液体时，可利用电加热器，提供一个热源在反应物上。在任何化学反应之前，功率Qp是一个固定的常数，这会在冷却循环产生一个已知的反应：(12)假设当反应开始发生，Qp会减少，因为这是要刚好的去抵消反应所释放的热，所以式(12)的右边是不变的，而功率的差刚好是反应所产生的热量。4. 回流法：此法需要利用冷凝管和分馏管线，移除混合反应产生的蒸气热量，以达到热平衡。系统在反应前，加入固定的热量，来稳定反应器的温度，如此做法可以确定基线值。从这条基线可看出，冷凝器对应的固定热量输入。设加入的热量为Qb，冷凝剂流过冷凝器的温差为：(13)和Cpc分别是冷凝剂的质