1、1dtTCpmdtTCpmQhracu 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
2、 的热量为 Qdose，则整个反应系统的能量平衡关系可以(1)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doseacumlosremr Qfrffdosep2各项所代表的物理意义：Q rem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、Q loss、Q accum、Q dose 等各值代入(1)式，即可求得整体反应热(Q r)。而 Qrem 和 Qdose 则可由实验的结果直接代入(2) 、(3)式计算求得;Q rem 与 Qloss 可透过
3、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)T j 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(Q L)。经由反应所产生的热，可从式(5)得到：
4、(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。jrremTUALremrQLjrTUA3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，因为要补偿在反应平衡的期间，从反jT j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jT jT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
5、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)为硅油流率，Cp 为比热， 为夹套进口和出口的温差，Q L 为热损oilm oilTrjLTUAjjrUAQjjcTQUALoiloilrCpQ4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 ：LT(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
6、看成常数(可忽略) 。如果硅油的显热 能得知，则使用此法Cpmoil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LoilLTCpmQLoiloilr TCpmQ5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
7、，Q p 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 ：bT(13)和 Cpc 分别是冷凝剂的质量流率和比热。当反应开始，设温度变化从 到cm bT，流率为 ，产生新的热平衡式：rTcr(14)利用式( 13)消去(Q b-QL)：(15)设冷凝剂流率为常数(= )时，则式(15)可简化成：cm(16) Lcolantp QTCpmLbcb QCpmLbrcrr QTCpmQbcrcr TCpQbrcr Tp
