نقل الحرارة وتوسيع نطاق العملية

يوفر توسيع نطاق العملية الكيميائية من المختبر إلى مرحلة التصنيع نتائج مفيدة فقط مع معاملات نقل الحرارة الدقيقة. إذا كانت المقاومات الحرارية ومعدلات التفاعل تقريبية فقط، فيجب تطبيق هوامش أمان كبيرة، مما يؤدي إلى إنشاء استثمارات أكبر أو أوقات دفعة أطول، مما يقلل من إنتاجية العملية. في مفاعلات الخزان المزود بخفاق، تكون آلية نقل الحرارة هي الحمل القسري، وهي ذات أهمية خاصة عند توسيع العملية من المختبر إلى المصنع. يتكون معامل نقل الحرارة الكلي في المفاعل من ثلاث مقاومات جزئية (غشاء المفاعل، جدار المفاعل، الغشاء الزيتي)، والتي يتم تحديدها من خلال مقاييس حرارة التفاعل. يسمح قياس درجة حرارة الغلاف والمفاعل أثناء إطلاق كمية محددة جيدًا من الحرارة للباحثين بدقة حساب المقاومة الحرارية التي تستخدم لنمذجة نقل الحرارة وإنشاء تنبؤات هامة للمفاعلات على نطاق أوسع.

عندما يتم توسيع عملية معقدة أو حساسة، فإن الدراسات الشاملة لنقل الحرارة والكتلة، وتراكم الكاشف، ومعدلات إطلاق الحرارة تعد أمرًا بالغ الأهمية.  وبما أن قدرة المفاعل على التخلص من الحرارة تقتصر عادة على قدرة نظام التبريد ونقل حرارة المفاعل، فإن الحد الأقصى لمعدل تغذية مادة التفاعل والقدرة الإنتاجية محدودان أيضًا.  يعد التفاعل الكالوريمتري ضروريًا لتحديد العوامل التي تؤثر على معاملات نقل الحرارة لتطوير نماذج لزيادة قدرة المصنع.

عند ترقية مفاعل الخزان المزود بخفاق من المختبر إلى المصنع، يعد نقل الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. وبما أن نقل الحرارة يتأثر بكتلة التفاعل، ونظام التخلص من الحرارة، وتصميم المفاعل، فإن معامل نقل الحرارة الكلي [U] يتكون من ثلاث مقاومات فردية: غشاء المفاعل [hr] وجدار المفاعل [dw/λ] وغشاء جانب العملية [hj]. باستخدام طريقة ويلسون، يمكن تمييز مساهمة كتلة التفاعل المستقلة لمعامل نقل الحرارة وفصلها عن المقاومات الأخرى يسمح الجمع بين هذه المعلومات وخصائص كتلة التفاعل ومواصفات مفاعل المصنع، بتطوير نموذج توسيع نطاق لمفاعل الإنتاج، ومحاكاة سلوك التخلص من الحرارة لعملية محددة.

بالنسبة لكتلة أي تفاعل ودرجة حرارته، يوفر قياس معامل نقل الحرارة عند سرعات تحريك مختلفة وسيلة قياسية لنمذجة سلوك التخلص من الحرارة وتقديره عند توسيع النطاق. 

يتطلب نقل عملية التصنيع الحالية بنجاح إلى نظام أكبر قياس الخواص الحركية للتفاعل وتحسين تأثير درجة الحرارة والتركيز ومعدل المقادير ونقل الكتلة على تشكيل الناتج والناتج الثانوي. درس الباحثون في Air Products عملية استخدام الكوكسيلات متعددة الخطوات لتطبيقها على مصنع أكبر حجمًا. وبما أن العملية كانت حساسة للحرارة، فقد تم استكشاف تأثير عوامل العملية من أجل قياس إطلاق الحرارة وتحديد المشكلات المحتملة المرتبطة بالتخلص من الحرارة.  وقد تم توفير التخلص من الحرارة في المفاعل الصناعي الأكبر من خلال الغلاف الخارجي المزود بماء تبريد لا يقل عن 30 درجة مئوية.  ولذلك تم الحد من معدل تغذية أكسيد الألكين، وذلك بسبب انتقال الحرارة المحدود بواسطة الغلاف. تم تطوير نموذج نقل الحرارة باستخدام ارتباط معياري لنقل الحرارة في أنظمة الحمل القسري.  

‏تمد محطات عمل تطوير العملية وتوسيع النطاق، مثل مقاييس حرارة التفاعل OptiMax HFCal، العالم بالبيانات الحرارية الديناميكية بشكل مباشر، بالإضافة إلى القدرة على دراسة تأثير الظروف المتغيرة على نقل الحرارة أو غيرها من العوامل الأساسية. يمكن لمقاييس حرارة التفاعلات الصغيرة، مثل EasyMax HFCal ، تحديد الظروف غير القابلة للتطوير بسرعة ودعم الدراسات المتعلقة بالتركيزات أو درجة الحرارة أو الخواص الحركية.

يسمح قياس حرارة التدفق الحراري للمستخدم بقياس الحرارة الناتجة عن تفاعل كيميائي أو فيزيائي في ظروف مماثلة لظروف المصنع. عن طريق ضرب القوة الدافعة عبر جدار المفاعل في مقاومة نقل حرارة المفاعل، يمكن قياس إزالة الحرارة كميًا بسهولة ودقة.

إذا تم توسيع توازن تدفق الحرارة من خلال شروط الحرارة الإضافية، مثل تراكم الحرارة أو حرارة المقادير أو الحرارة الصادرة تحت ظروف الفيض المرتد، يحصل المستخدم على معلومات شاملة عن مستوى تقدم التفاعل الكيميائي، وتأثير معدلات المقادير، وأقصى تدفق للحرارة، والتراكم محتمل الخطورة لمواد البدء غير المتفاعلة، وغير ذلك الكثير.