Trasferimento di calore e scale-up del processo

L'estensione di un processo chimico dal laboratorio alla produzione fornisce solo risultati utili con coefficienti di scambio termico accurati. Se le resistenze termiche e le velocità di reazione sono solo approssimative, è necessario applicare ampi margini di sicurezza, con conseguenti investimenti maggiori o tempi di batch più lunghi, riducendo la produttività del processo. Nei reattori a serbatoio agitato, il meccanismo di trasferimento del calore è la convezione forzata ed è di particolare interesse quando si scala un processo dal laboratorio all'impianto. Il coefficiente di scambio termico complessivo nel reattore è costituito da tre resistenze parziali (film del reattore, parete del reattore, film d'olio), che sono determinate dai calorimetri di reazione. La misurazione della temperatura della camicia e del reattore durante il rilascio di una quantità ben definita di calore consente ai ricercatori di calcolare con precisione la resistenza termica, che viene utilizzata per modellare il trasferimento di calore e per fare previsioni critiche per i reattori su larga scala.

Quando un processo complesso o sensibile viene scalato, sono fondamentali indagini complete sul trasferimento di calore e di massa, sull'accumulo di reagenti e sui tassi di rilascio di calore.  Poiché la capacità di rimozione del calore di un reattore è tipicamente limitata dalla capacità del sistema di raffreddamento e dal trasferimento di calore del reattore, anche la velocità massima di alimentazione del reagente e la capacità di produzione sono limitate.  Calorimetria di reazione è essenziale determinare i parametri che influiscono sui coefficienti di scambio termico per sviluppare modelli che massimizzino la capacità dell'impianto di produzione.

Quando si scala un reattore a serbatoio agitato dal laboratorio all'impianto, il trasferimento di calore è fondamentale. Poiché il trasferimento di calore è influenzato dalla massa di reazione, dal sistema di rimozione del calore e dal design del reattore, il coefficiente di scambio termico complessivo [U] è costituito da tre resistenze individuali: il film del reattore [hr], la parete del reattore [dw/λ] e il film sul lato del processo [hj]. Utilizzando il metodo di Wilson, il contributo dipendente dalla massa di reazione del coefficiente di scambio termico può essere caratterizzato e separato dalle altre resistenze. La combinazione di queste informazioni con le caratteristiche della massa di reazione e le specifiche del reattore dell'impianto, consente di sviluppare un modello di scale-up per il reattore di produzione e di simulare il comportamento di rimozione del calore per un processo specifico.

Per qualsiasi massa e temperatura di reazione, la misurazione del coefficiente di scambio termico a varie velocità di agitazione fornisce un modo standard per modellare e stimare il comportamento di rimozione del calore su scale-up. 

Per trasferire con successo un processo di produzione esistente in un sistema più ampio, è necessario misurare la cinetica di reazione e ottimizzare l'impatto di temperatura, concentrazione, velocità di dosaggio e trasferimento di massa sulla resa e sulla formazione dei sottoprodotti. I ricercatori di Air Products hanno studiato un processo di alcossilazione in più fasi per adattarlo a un impianto di produzione più grande. Poiché il processo era sensibile alla temperatura, è stato esaminato l'impatto dei parametri di processo al fine di misurare il rilascio di calore e identificare potenziali problemi associati alla rimozione del calore.  La rimozione del calore nel reattore più grande dell'impianto era fornita da una camicia esterna alimentata con acqua di raffreddamento non inferiore a 30°C.   La velocità di avanzamento dell'ossido di alchene era quindi limitata, a causa del limitato trasferimento di calore da parte della camicia. È stato sviluppato un modello di trasferimento di calore utilizzando la correlazione standard per il trasferimento di calore nei sistemi a convezione forzata.  

Le workstation per lo sviluppo dei processi e lo scale-up, come i calorimetri di reazione e OptiMax HFCal, forniscono allo scienziato dati termodinamici in tempo reale e la capacità di studiare l'impatto delle condizioni variabili sul trasferimento di calore o su altri parametri essenziali. I calorimetri di reazione su piccola scala, come EasyMax HFCal, sono in grado di identificare rapidamente condizioni non scalabili e supportare studi relativi a concentrazioni, temperatura o cinetica.

La calorimetria del flusso di calore consente all'utente di misurare il calore generato da una reazione chimica o fisica in condizioni identiche a quelle dell'impianto. Moltiplicando semplicemente la forza motrice attraverso la parete del reattore per la resistenza al trasferimento di calore del reattore, la rimozione del calore può essere quantificata in modo semplice e accurato.

Se il bilancio del flusso di calore viene ampliato da ulteriori termini di calore, come l'accumulo di calore, il calore di dosaggio o il calore rilasciato in condizioni di reflusso, l'utente ottiene informazioni complete sull'andamento della reazione chimica, l'impatto delle velocità di dosaggio, il flusso di calore massimo, l'accumulo potenzialmente pericoloso di materiali di partenza non reagiti e molto altro ancora.