Transferência de Calor e Aumento de Escala do Processo

Aumentar a escala de um processo químico do laboratório à produção somente oferece resultados úteis com coeficientes de transferência de calor precisos. Se as taxas de reação e resistência térmica forem somente aproximadas, devem ser aplicadas margens de segurança largas, o que resulta em maiores investimentos ou tempos de lote mais longos, diminuindo a produtividade do processo. Em reatores de tanque agitados, é forçada a convecção do mecanismo da transferência de calor, e é de interesse especial ao escalonar um processo do laboratório para a planta. O coeficiente de transferência de calor geral no reator consiste em três resistências parciais (superfície do reator, parede do reator, película de óleo), que são determinados pelos calorímetros da reação. Medir a temperatura da camisa e do reator durante a liberação de uma quantia de calor bem definida permite que pesquisadores computem com precisão a resistência térmica, que será usada para modelar a transferência de calor e para fazer previsões importantes sobre os reatores em uma escala ainda maior.

Quando um processo complexo ou sensível for aumentado em escala, é fundamental que seja feito investigações abrangentes da transferência de calor e massa, do acúmulo de reagentes e das taxas de liberação de calor.  Como a capacidade de remoção de calor de um reator geralmente é limitada pela capacidade do sistema de refrigeração e pela transferência de calor do reator, a taxa de alimentação máxima do reagente e a capacidade de produção também são limitadas.  A calorimetria da reação é fundamental para determinar os parâmetros que afetam os coeficientes de transferência de calor a fim de desenvolver modelos que maximizem a capacidade de planta de produção.

Ao aumentar a escala de um reator de tanque agitado do laboratório para a planta, a transferência de calor é fundamental. Como a transferência de calor é afetada pela massa da reação, pelo sistema de remoção de calor e pelo design do reator, o coeficiente de transferência de calor geral [U] consistirá em três resistências individuais: a superfície do reator [hr], a parede do reator [dw/λ] e a película do lado do processo [hj]. Ao usar o método Wilson, a contribuição dependente da massa da reação do coeficiente de transferência de calor pode ser caracterizada e separada de outras resistências. Ao combinar essa informação com as características da massa da reação e as especificidades do reator da planta, é possível desenvolver um modelo de aumento de escala para o reator de produção, e simular o comportamento de remoção de calor de um processo específico.

Para qualquer massa e temperatura da reação, a medição do coeficiente de transferência de calor em várias velocidades de agitação oferece um padrão para modelar e prever o comportamento de remoção de calor em um aumento de escala. 

A transferência bem-sucedida de um processo de produção existente para um sistema maior requer a medição da cinética da reação e a otimização do impacto da temperatura, da concentração, da taxa de dosagem e da transferência de massa no rendimento e na formação de subproduto. Pesquisadores na Air Products investigam o processo multifásico de alcoxilação para adaptá-lo a uma grande planta de produção. Como o processo era sensível à temperatura, o impacto dos parâmetros do processo foi explorado para medir a liberação de calor e identificar possíveis problemas associados à remoção de calor.  A remoção de calor em um reator de planta maior foi fornecida por uma camisa externa fornecida com água de resfriamento a uma temperatura que não passava abaixo dos 30 ºC.  Assim, a taxa de alimentação do óxido alcalino foi limitada, devido à transferência de calor limitada da camisa. O modelo de transferência de calor foi desenvolvido usando a correlação padrão da transferência de calor em sistemas de convecção forçada.  

Estações de trabalho de aumento de escala e desenvolvimento de processos, como os calorímetros de reação e OptiMax HFCal,  oferecem ao cientista dados termodinâmicos em tempo real e a capacidade de investigar o impacto que condições variáveis possuem na transferência de calor e em outros parâmetros importantes. Calorímetros de reação de escala pequena, como o EasyMax HFCal, podem identificar rapidamente condições não escaláveis e fundamentar estudos relacionados a concentrações, temperatura e cinética.

A Calorimetria de Fluxo de Calor permite que o usuário meça o calor gerado por uma reação química ou física em condições idênticas às condições da planta. Ao simplesmente multiplicar a força motriz presente na parede do reator pela resistência para a transferência de calor do reator, a remoção de calor pode ser facilmente a precisamente quantificada.

Se o equilíbrio do fluxo de calor for expandido por termos de calor adicionais, como o acúmulo de calor, o calor da dosagem ou o calor liberado em condições de refluxo, o usuário receberá informações abrangentes sobre o progresso da reação química, sobre o impacto das taxas de dosagem, sobre o fluxo máximo de calor, possíveis acúmulos perigosos de matérias primas que não reagiram e muitas outras informações.