Escalado de procesos y transferencia de calor

El hecho de escalar un proceso químico desde el laboratorio a la fase de fabricación solo ofrece resultados útiles con coeficientes precisos de transferencia de calor. Si las resistencias térmicas y las velocidades de reacción son solo valores aproximados, deben aplicarse unos márgenes de seguridad amplios, por lo que hay que realizar inversiones más grandes o aplicar tiempos de lotes más largos, lo que reduce la productividad del proceso. En los reactores con depósitos agitados, el mecanismo de transferencia del calor es la convección forzada, lo que es de particular interés a la hora de escalar un proceso del laboratorio a la planta. El coeficiente de transferencia de calor general del reactor está formado por tres resistencias parciales (película del reactor, pared del reactor y película de aceite), que están determinadas por los calorímetros de reacción. La medición de la temperatura del reactor y el enchaquetado durante la liberación de una cantidad de calor bien definida permite a los investigadores calcular con precisión la resistencia térmica que se usa para modelar la transferencia térmica y realizar predicciones críticas para los reactores a mayor escala.

Cuando se escala un proceso complejo o sensible, es esencial realizar unas investigaciones exhaustivas sobre la transferencia de masa y calor, la acumulación de reactivos y las velocidades de liberación del calor.  Dado que la capacidad de disipación del calor de un reactor suele estar limitada por la capacidad del sistema de refrigeración y la transferencia de calor del reactor, la velocidad máxima de alimentación de reactivos y la capacidad de producción también están limitadas.  La calorimetría de reacción es esencial para determinar los parámetros que influyen en los coeficientes de transferencia de calor para desarrollar modelos que maximicen la capacidad de la planta de fabricación.

El escalar un reactor con depósito agitado desde el laboratorio a la planta, la transferencia de calor es un aspecto decisivo. Como la transferencia de calor se ve afectada por la masa de reacción, el sistema de disipación de calor y el diseño del reactor, el coeficiente de transferencia de calor general [U] está formado por tres resistencias individuales: la película del reactor [hr], la pared del reactor [dw/λ] y la película del lado del proceso [hj]. Al usar el método Wilson, la contribución dependiente de la masa de reacción del coeficiente de transferencia de calor se puede caracterizar y separar de otras resistencias. El hecho de combinar esta información con las características de la masa de reacción y los aspectos específicos del reactor de planta permite desarrollar un modelo de escalado para el reactor de producción y simular el comportamiento de disipación del calor de un proceso concreto.

Para cualquier temperatura y masa de reacción, al medir el coeficiente de transferencia de calor a distintas velocidades de agitado se obtiene un método estándar para modelar y estimar el comportamiento de disipación del calor en el escalado. 

Para transferir correctamente un proceso de fabricación existente a un sistema más grande, hay que medir la cinética de reacción y optimizar el impacto de la temperatura, la concentración, la tasa de dosificación y la transferencia de masas en el rendimiento y en la formación de productos secundarios. Los investigadores de Air Products estudiaron un proceso de alcoxilación en varios pasos para adaptarlo a una planta de fabricación más grande. Como el proceso era sensible a la temperatura, se estudió el impacto de los parámetros del proceso para medir el calor disipado e identificar posibles problemas asociados a esta disipación del calor.  La disipación del calor en el reactor de la planta de mayor tamaño se llevaba a cabo mediante un enchaquetado externo con agua de refrigeración a una temperatura no inferior a 30 C.  En consecuencia, la velocidad de alimentación del óxido de alqueno estaba restringida debido a la transferencia de calor limitada por el enchaquetado. Se desarrolló un modelo de transferencia de calor usando una correlación estándar para la transferencia de calor en los sistemas de convección forzada.  

Las estaciones de trabajo de escalado y desarrollo de procesos, como los calorímetros de reacción y OptiMax HFCal, ofrecen a los científicos datos termodinámicos en tiempo real y la posibilidad de investigar el impacto que tendría el cambio de las condiciones de la transferencia de calor o de otros parámetros esenciales. Los calorímetros de reacción a pequeña escala, como EasyMax HFCal, pueden identificar rápidamente condiciones no escalables y realizar estudios relacionados con las concentraciones, la temperatura o la cinética.

La calorimetría de flujo de calor permite al usuario medir el calor generado por una reacción física o química en condiciones idénticas a las de la planta. Con solo multiplicar la fuerza impulsora a través de la pared del reactor por la resistencia de este a la transferencia del calor, se puede calcular la disipación del calor de forma fácil y precisa.

Si el balance del flujo de calor se expande a causa de aspectos térmicos adicionales (como la acumulación de calor, el calor de dosificación o el calor liberado en condiciones de reflujo), el usuario obtiene información detallada acerca del progreso de la reacción química, el impacto de las tasas de dosificación, el flujo de calor máximo, la posible acumulación peligrosa de materias primas sin reaccionar, etc.