Warmteoverdracht en opschaling van processen

Het opschalen van een chemisch proces van laboratorium naar productie levert alleen bruikbare resultaten op met nauwkeurige warmteoverdrachtscoëfficiënten. Als thermische weerstanden en reactiesnelheden slechts bij benadering zijn, moeten grote veiligheidsmarges worden toegepast, wat resulteert in grotere investeringen of langere batchtijden, waardoor de productiviteit van het proces daalt. In geroerde tankreactoren is het mechanisme van warmteoverdracht geforceerde convectie, en het is van bijzonder belang bij het opschalen van een proces van het laboratorium naar de fabriek. De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt in de reactor bestaat uit drie partiële weerstanden (reactorfilm, reactorwand, oliefilm), die worden bepaald door reactiecalorimeters. Door de mantel- en reactortemperatuur te meten tijdens het vrijkomen van een goed gedefinieerde hoeveelheid warmte, kunnen onderzoekers de thermische weerstand nauwkeurig berekenen, die wordt gebruikt om de warmteoverdracht te modelleren en om kritische voorspellingen te doen voor reactoren op grotere schaal.

Wanneer een complex of gevoelig proces wordt opgeschaald, is uitgebreid onderzoek naar warmte- en massaoverdracht, accumulatie van reagentia en warmteafgiftesnelheden van cruciaal belang.  Aangezien de warmteafvoercapaciteit van een reactor doorgaans wordt beperkt door de capaciteit van het koelsysteem en de warmteoverdracht van de reactor, zijn ook de maximale reactanttoevoersnelheid en de productiecapaciteit beperkt.  Reactie calorimetrie is essentieel om parameters te bepalen die van invloed zijn op de warmteoverdrachtscoëfficiënten om modellen te ontwikkelen om de capaciteit van de fabriek te maximaliseren.

Bij het opschalen van een geroerde tankreactor van laboratorium naar fabriek is warmteoverdracht van cruciaal belang. Aangezien de warmteoverdracht wordt beïnvloed door de reactiemassa, het warmteafvoersysteem en het reactorontwerp, bestaat de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt [U] uit drie afzonderlijke weerstanden: de reactorfilm [hr], de reactorwand [dw/λ] en de proceszijdefilm [hj]. Met behulp van de Wilson-methode kan de reactiemassa-afhankelijke bijdrage van de warmteoverdrachtscoëfficiënt worden gekarakteriseerd en gescheiden van de andere weerstanden. Door deze informatie te combineren met de kenmerken van de reactiemassa en de specifieke kenmerken van de reactor van de fabriek, kan een opschalingsmodel voor de productiereactor worden ontwikkeld en kan het warmteafvoergedrag voor een specifiek proces worden gesimuleerd.

Voor elke reactiemassa en temperatuur biedt het meten van de warmteoverdrachtscoëfficiënt bij verschillende roersnelheden een standaardmanier om het warmteafvoergedrag bij opschaling te modelleren en te schatten. 

Het succesvol overbrengen van een bestaand productieproces naar een groter systeem vereist het meten van de reactiekinetiek en het optimaliseren van de impact van temperatuur, concentratie, doseringssnelheid en massaoverdracht op de opbrengst en de vorming van bijproducten. Onderzoekers van Air Products onderzochten een meerstaps alkoxyleringsproces om het aan te passen aan een grotere fabriek. Omdat het proces temperatuurgevoelig was, werd de impact van procesparameters onderzocht om de warmteafgifte te meten en mogelijke problemen in verband met warmteafvoer te identificeren.  De warmteafvoer in de grotere reactor van de centrale werd verzorgd door een externe mantel die werd voorzien van koelwater van niet minder dan 30°C.   De toevoersnelheid van alkeenoxide was daarom beperkt vanwege de beperkte warmteoverdracht door de mantel. Er werd een warmteoverdrachtsmodel ontwikkeld met behulp van standaardcorrelatie voor warmteoverdracht in geforceerde convectiesystemen.  

Werkstations voor procesontwikkeling en opschaling, zoals reactiecalorimeters en OptiMax HFCal, voorzien de wetenschapper in realtime van thermodynamische gegevens en de mogelijkheid om de impact van veranderende omstandigheden op warmteoverdracht of andere essentiële parameters te onderzoeken. Kleinschalige reactiecalorimeters, zoals EasyMax HFCal, kunnen niet-schaalbare omstandigheden snel identificeren en studies ondersteunen met betrekking tot concentraties, temperatuur of kinetiek.

Heat Flow Calorimetrie stelt de gebruiker in staat om warmte te meten die wordt gegenereerd door een chemische of fysische reactie onder omstandigheden die identiek zijn aan de omstandigheden in de fabriek. Door simpelweg de aandrijfkracht over de reactorwand te vermenigvuldigen met de weerstand tegen de warmteoverdracht van de reactor, kan de warmteafvoer eenvoudig en nauwkeurig worden gekwantificeerd.

Als de warmtestroombalans wordt uitgebreid met extra warmtetermen, zoals de warmteaccumulatie, de doseerwarmte of de warmte die vrijkomt bij reflux, krijgt de gebruiker uitgebreide informatie over het verloop van de chemische reactie, de invloed van doseersnelheden, maximale warmtestroom, potentieel gevaarlijke ophoping van niet-gereageerde uitgangsmaterialen en nog veel meer.