Transfert de chaleur et extrapolation des procédés

Seule une connaissance précise des coefficients de transfert de chaleur permet d'effectuer une extrapolation d'un procédé chimique du laboratoire vers l'usine. Si les données sur les résistances thermiques et les vitesses de réaction sont approximatives, il convient d'appliquer des marges d'erreur importantes, ce qui se traduit par une augmentation des investissements ou de la durée de traitement des lots, et donc par une réduction de la productivité du procédé. Dans les réacteurs à cuve agitée, le mécanisme de transfert de chaleur est la convection forcée, qui est particulièrement intéressante lors de l'extrapolation d'un procédé du laboratoire à l'usine. Le coefficient de transfert de chaleur global dans le réacteur est constitué de trois résistances partielles (film du réacteur, paroi du réacteur, film d'huile), qui sont déterminées par des calorimètres réactionnels. Les chercheurs mesurent la température de la chemise et du réacteur durant le dégagement d'une quantité bien définie de chaleur pour calculer avec exactitude la résistance thermique utilisée pour modéliser le transfert de chaleur et réaliser des prévisions critiques pour les réacteurs à plus grande échelle.

Lorsqu'un procédé complexe ou sensible est extrapolé, il est essentiel de mener une étude exhaustive du transfert de masse et de chaleur, de l'accumulation de réactif et des taux de libération thermique.Puisque la capacité d'évacuation de la chaleur d'un réacteur est typiquement limitée par la capacité du système de refroidissement et le transfert de chaleur du réacteur, la vitesse d'alimentation maximale du réactif et la capacité de production sont également limitées.  La calorimétrie réactionnelle est essentielle pour déterminer les paramètres ayant une influence sur les coefficients de transfert de chaleur afin de développer des modèles permettant d'optimiser la capacité d'une usine de fabrication.

Lors de l'extrapolation d'un réacteur à cuve agitée du laboratoire à l'usine, le transfert de chaleur est critique. Étant donné que le transfert de chaleur est affecté par la masse de réaction, le système d'évacuation de la chaleur et la conception du réacteur, le coefficient de transfert de chaleur global [U] est constitué de trois résistances individuelles : le film du réacteur [hr], la paroi du réacteur [dw/λ] et le film côté procédé [hj]. À l'aide de la méthode de Wilson, il est possible de caractériser la contribution dépendant de la masse de réaction du coefficient de transfert de chaleur et de la distinguer des autres résistances. En combinant ces données avec les caractéristiques de la masse de réaction et les spécificités du réacteur industriel, il est possible d'élaborer un modèle d'extrapolation du réacteur de production et de simuler le comportement d'évacuation de la chaleur d'un procédé spécifique.

Quelles que soient la masse de réaction et la température, la mesure du coefficient de transfert de chaleur à diverses vitesses d'agitation est une manière standard de modéliser et d'estimer le comportement d'évacuation de la chaleur lors de l'extrapolation.

Pour réussir le transfert d'un procédé de fabrication existant à un système plus important, il est nécessaire de mesurer la cinétique de la réaction et d'optimiser les effets de la température, de la concentration, du débit de dosage et du transfert de masse sur le rendement et la formation des sous-produits. Les chercheurs de Air Products ont étudié un procédé d'alcoxylation à plusieurs étapes pour l'adapter à une usine de fabrication plus importante. Puisque le procédé était thermosensible, l'effet des paramètres du procédé a été étudié afin de mesurer le dégagement de chaleur et identifier les problèmes potentiels liés à l'évacuation de la chaleur.L'évacuation de la chaleur dans le réacteur d'usine plus important était assurée par une chemise externe alimentée en eau de refroidissement à au moins 30 °C.  La vitesse d'alimentation en oxyde d'alcène était donc restreinte, en raison du transfert de chaleur limité par la chemise. Un modèle de transfert de la chaleur a été mis au point à l'aide d'une corrélation standard pour le transfert de la chaleur dans les systèmes à convection forcée.

Les postes de développement et d'extrapolation des procédés, tels que les calorimètres réactionnels et OptiMax HFCal, fournissent au scientifique des données thermodynamiques en temps réel et la capacité d'étudier l'effet des conditions changeantes sur le transfert de la chaleur ou autres paramètres essentiels. Les calorimètres réactionnels à petite échelle, tels que EasyMax HFCal, permettent d'identifier rapidement les conditions non extrapolables et facilitent les études portant sur les concentrations, la température ou la cinétique.

La calorimétrie à flux thermique permet à l'utilisateur de mesurer la chaleur dégagée par une réaction chimique ou physique dans des conditions identiques aux conditions en usine. En multipliant simplement la force d'entraînement à travers la paroi du réacteur par la résistance au transfert de chaleur dans le réacteur, il est possible de quantifier l'évacuation de la chaleur en toute facilité et avec exactitude.

Si le bilan du flux de chaleur est augmenté par des termes de chaleur additionnels, tels que l'accumulation de chaleur, la chaleur de dosage, ou la chaleur dégagée dans les conditions de reflux, l'utilisateur obtient des informations exhaustives sur l'évolution de la réaction chimique, l'effet des débits de dosage, le flux de chaleur maximum, l'accumulation potentiellement dangereuse de produits de départ n'ayant pas réagi et bien plus.