Теплопередача и масштабирование

Эффективное масштабирование химического процесса от лабораторной до промышленной установки возможно только при использовании точных значений коэффициентов теплопередачи. Если термические сопротивления и скорости реакции известны только приблизительно, придется задать пределы безопасности с большими допусками, в результате чего потребуются более крупные инвестиции, увеличится время периодического процесса, а производительность снизится. В реакторах с мешалкой основным механизмом передачи тепла является принудительная конвекция, которая представляет особый интерес при масштабировании технологического процесса. Полный коэффициент теплопередачи в реакторе является суммой трех частичных термических сопротивлений (пленки реактора, стенки реактора, масляной пленки), которые определяются с помощью реакционных калориметров. Измерение температуры теплообменника и реактора (при выделении четко определенного количества теплоты) позволяет исследователям точно вычислить термическое сопротивление, которое используется для моделирования процессов теплопередачи, и прогнозировать ключевые параметры процесса для реакторов большего масштаба.

При масштабировании сложного или чувствительного процесса решающее значение имеют всеобъемлющие исследования тепло- и массопереноса, накопления реагента и интенсивности тепловыделения.  Поскольку интенсивность теплоотвода реактора обычно ограничена мощностью системы охлаждения и передачей тепла в реакторе, максимальная скорость подачи реагента и производительность также ограничены.  Реакционная калориметрия необходима для определения параметров, которые влияют на коэффициенты теплопередачи. Без этого невозможно создать модели, нужные для доведения производительности технологической установки до максимальной величины.

При масштабировании реакций от уровня лабораторного реактора до уровня промышленной установки критически важное значение имеет теплопередача. Поскольку теплопередача зависит от реагирующей массы, системы теплоотвода и конструкции реактора, общий коэффициент теплопередачи [U] состоит из трех отдельных термических сопротивлений: пленки на стенке реактора [hr], стенки реактора [dw/λ] и пленки пограничного слоя [hj]. С помощью метода Вильсона можно определить влияние реагирующей массы на коэффициент теплопередачи и отделить ее вклад от других термических сопротивлений. Сочетая эти данные с характеристиками реагирующей массы и особенностями реакторной установки, можно разработать модель для масштабирования реакции на промышленную установку и определить особенности теплоотвода для конкретного технологического процесса.

Для любой реагирующей массы и температуры измерение коэффициента теплопередачи при различных скоростях перемешивания является стандартным способом моделирования и оценки параметров теплоотвода при масштабировании. 

Успешный перенос существующего производственного процесса в более крупную промышленную установку требует исследования кинетики реакций и оптимизации влияния температуры, концентрации, скорости подачи и массопереноса на производительность и образование побочных продуктов. Исследователи из компании Air Products and Chemicals изучили несколько стадий процесса алкоксилирования для применения его на более крупных промышленных установках. Поскольку процесс чувствителен к изменению температуры, было изучено влияние технологических параметров на тепловыделение, что позволило выявить потенциальные проблемы, связанные с теплоотводом.  Теплоотвод в более крупных реакторных установках осуществляется через внешний теплообменник, питаемый охлаждающей водой при температуре не ниже 30 °С.  Скорость подачи простых циклических эфиров ограничивалась предельной интенсивностью передачи тепла теплообменнику. Разработана модель теплопередачи с использованием стандартного соотношения для теплопередачи в системах с принудительной конвекцией.  

Рабочие станции для разработки и масштабирования химических процессов, такие как реакционные калориметры и OptiMax HFCal, позволяют ученым определять термодинамические характеристики в режиме реального времени и дают возможность исследовать влияние изменяющихся условий теплопередачи или других критически важных параметров. Малогабаритные лабораторные реакционные калориметры, такие как EasyMax HFCal, позволяют быстро определить немасштабируемые условия и упрощают исследования, которые касаются влияния концентрации, температуры или кинетики.

Калориметрия теплового потока позволяет специалисту определять количество теплоты, выделившейся в результате химического или физического процесса при условиях, идентичных условиям в промышленной установке. Количественная оценка теплоотвода может быть достаточно просто и точно выполнена умножением движущей силы на сопротивление теплопередаче через стенку реактора.

Если баланс тепловых потоков увеличивается за счет дополнительных источников теплоты, таких как аккумулирование тепла, теплота дозирования или теплота, выделяющаяся при орошении, то специалист получает исчерпывающую информацию о ходе химической реакции, влиянии скоростей подачи реагентов, максимальной величине теплового потока, потенциально опасном накоплении исходных веществ, не вступивших в реакцию, и многом другом.