Определение теплоты реакции

Согласно закону сохранения энергии в замкнутой изолированной системе (реакторе) для синтеза нового продукта необходимо затратить определенное количество энергии, которое подводят в виде тепла с помощью циркуляционного термостата или пара. В определенный момент (после инициирования) некоторые реакции начинают бурно развиваться, в результате нарушается тепловой баланс из-за резкого выброса или поглощения тепла, в зависимости от типа реакции. В результате подобных всплесков энергии среда может вскипать, отвердевать, мутнеть и т.п., т.е. будут получаться побочные продукты, которые придется выбросить, если удастся их вынуть из реактора.

Изменение теплового баланса наблюдают по температуре среды, которую измеряют обыкновенным термометром или датчиком температуры РТ100. В колбе или небольшом лабораторном реакторе протекание экзотермической реакции (повышение температуры среды) подавляют с помощью льда (ледяной бани с солью) или охлаждающего циркуляционного термостата, для эндотермических реакций (понижение температуры среды), наоборот, увеличивают мощность нагрева. В лабораторном масштабе экзотермические реакции легко контролируются, а иногда и вообще проходят незамеченными. Совсем другое дело - синтезы в пилотных и промышленных реакторах, в которых на единицу объема приходится меньшая поверхность теплопередачи, что приводит к серьёзным проблемам в плане безопасного протекания реакции.

Для подавления экзо- и эндотермических реакций из системы отводят / подводят большое количество тепла (энергии), что осуществляется, как правило, с помощью мощных циркуляционных термостатов. Чтобы правильно подобрать мощность термостата необходимо знать тепловой эффект реакции.

Почти все доступные техники определения теплового эффекта реакции можно отнести к одной из четырех групп:
- Температурный профиль реакции
- Тепловой баланс теплоносителя
- Тепловые баланс реакции
- Компенсация теплоты реакции

ТПР - это наблюдение за изменениями температуры среды (Тс) и температуры в рубашке (Тр). Разницу температур в современных термостатах можно легко наблюдать при наличии датчика температуры РТ100, например термостаты Huber с блоками управления СС-Pilot (Unistat-Pilot) не только показывают цифровые значе-ния температуры в теплоносителя (~Тр) и среды (Тс), но и позволяют получить диаграммы изменения температур.
ТПР - это довольно простой, доступный и дешевый индикатор протекания эндо-/ экзотермической реакции, но он не дает информации о количестве тепла (в Вт или Дж).

Тепловой баланс рассчитывается на базе непосредственного измерения количества тепла на входе (Tin) в рубашку реактора и на выходе (Tout) из нее:

Точность расчета зависит от точности измерения массы (m) теплоносителя, циркулирующего в системе, а также от его теплоемкости (Cp).
Стабильные температуры теплоносителя в рубашке можно достичь только при очень большой скорости циркуляции, т.е. при использовании мощных термостатов. При этом разница температуры становится незначительной, а ошибка измерения, наоборот более заметной.

В тепловом балансе реакции учитывается разница температур сред (Тс) и теплоносителя на входе или выходе из реактора (Ттн).

Расчет зависит от точности определения коэффициента теплопередачи (U) и площади теплообмена (А). Для определения U*A необходимо откалибровать систему, на практике это получается не всегда близко к действительному значению. Подразумевается, что разница температур теплоносителя и среды постоянна, хотя на самом деле температура теплоносителя на входе в реактор постоянно меняется, чтобы держать реакцию под контролем.

Метод компенсации теплоты основана на определение теплоты реакции на основе показаний "компенсатора", погруженного непосредственно в реакционную среду.
Не все пользователи любят данный метод, т.к. "компенсатор" мешает эффективному перемешиванию, может вызвать локальные перегревы.

Реакционные калориметры представляют собой реакторы с необходимыми датчиками и программным обеспечением, которое и рассчитывает теплоту реакции, строит графики и т.п. в зависимости от возможностей. Предлагаем вам ознакомиться с реакционными калориметрами Syrris, позволяющими снять температурный профиль реакции (ТПР), рассчитать тепловой эффект по тепловому балансу реакции (ТБР) или по методу компенсации теплоты реакции (КТР). Кроме того, Вас может заинтересовать статья "Моделирование подавления экзотермической реакции с помощью термостата Huber".