Prenos tepla a škálovanie procesov

Rozšírenie chemického procesu z laboratória do výroby poskytuje užitočné výsledky len s presnými koeficientmi prestupu tepla. Ak sú tepelné odpory a reakčné rýchlosti len približné, musia sa použiť veľké bezpečnostné rezervy, čo vedie k väčším investíciám alebo dlhším časom dávkovania, čo znižuje produktivitu procesu. V miešaných tankových reaktoroch je mechanizmus prenosu tepla nútená konvekcia a je obzvlášť zaujímavý pri škálovaní procesu z laboratória do závodu. Celkový koeficient prestupu tepla v reaktore pozostáva z troch čiastkových odporov (film reaktora, stena reaktora, olejový film), ktoré sa určujú reakčnými kalorimetrami. Meranie teploty plášťa a reaktora počas uvoľňovania presne definovaného množstva tepla umožňuje výskumníkom presne vypočítať tepelný odpor, ktorý sa používa na modelovanie prenosu tepla a na vytváranie kritických predpovedí pre reaktory vo väčšom meradle.

Keď sa rozšíri zložitý alebo citlivý proces, rozhodujúce je komplexné skúmanie prenosu tepla a hmoty, akumulácie činidiel a rýchlosti uvoľňovania tepla.  Keďže kapacita odvádzania tepla reaktora je zvyčajne obmedzená kapacitou chladiaceho systému a prenosom tepla reaktora, obmedzená je aj maximálna rýchlosť prívodu reaktantu a výrobná kapacita.  Reakčná kalorimetria je nevyhnutné na určenie parametrov, ktoré ovplyvňujú koeficienty prestupu tepla, na vývoj modelov na maximalizáciu kapacity výrobného závodu.

Pri škálovaní miešaného tankového reaktora z laboratória do zariadenia je prenos tepla rozhodujúci. Keďže prenos tepla je ovplyvnený reakčnou hmotou, systémom odvádzania tepla a konštrukciou reaktora, celkový koeficient prestupu tepla [U] pozostáva z troch jednotlivých odporov: filmu reaktora [hr], steny reaktora [dw/λ] a filmu na strane procesu [hj]. Pomocou Wilsonovej metódy je možné charakterizovať a oddeliť od ostatných odporov príspevok koeficientu prestupu tepla závislý od reakčnej hmotnosti. Kombinácia týchto informácií s charakteristikami reakčnej hmoty a špecifikami reaktora elektrárne umožňuje vyvinúť model škálovania pre výrobný reaktor a simulovať správanie pri odstraňovaní tepla pre konkrétny proces.

Pre akúkoľvek reakčnú hmotnosť a teplotu poskytuje meranie koeficientu prestupu tepla pri rôznych rýchlostiach miešania štandardný spôsob modelovania a odhadu správania pri odstraňovaní tepla pri zvyšovaní mierky. 

Úspešný prenos existujúceho výrobného procesu do väčšieho systému si vyžaduje meranie reakčnej kinetiky a optimalizáciu vplyvu teploty, koncentrácie, rýchlosti dávkovania a prenosu hmoty na výťažnosť a tvorbu vedľajších produktov. Výskumníci zo spoločnosti Air Products skúmali viacstupňový proces alkoxylácie, aby ho prispôsobili väčšiemu výrobnému závodu. Keďže proces bol citlivý na teplotu, skúmal sa vplyv parametrov procesu s cieľom zmerať uvoľňovanie tepla a identifikovať potenciálne problémy spojené s odvádzaním tepla.  Odvod tepla vo väčšom reaktore elektrárne zabezpečoval vonkajší plášť dodávaný chladiacou vodou najmenej 30 °C.   Rýchlosť podávania oxidu alkénu bola preto obmedzená z dôvodu obmedzeného prenosu tepla plášťom. Model prenosu tepla bol vyvinutý pomocou štandardnej korelácie pre prenos tepla v systémoch nútenej konvekcie.  

Pracovné stanice na vývoj a rozširovanie procesov, ako sú reakčné kalorimetre a OptiMax HFCal, poskytujú vedcom termodynamické údaje v reálnom čase a schopnosť skúmať vplyv meniacich sa podmienok na prenos tepla alebo iné základné parametre. Reakčné kalorimetre v malom meradle, ako napríklad EasyMax HFCal, dokážu rýchlo identifikovať neškálovateľné podmienky a podporiť štúdie týkajúce sa koncentrácií, teploty alebo kinetiky.

Kalorimetria tepelného toku umožňuje používateľovi merať teplo generované chemickou alebo fyzikálnou reakciou za podmienok identických s podmienkami závodu. Jednoduchým vynásobením hnacej sily cez stenu reaktora odporom voči prenosu tepla reaktora je možné odvod tepla ľahko a presne kvantifikovať.

Ak sa bilancia tepelného toku rozšíri o ďalšie tepelné podmienky, ako je akumulácia tepla, teplo dávkovania alebo teplo uvoľnené za podmienok spätného toku, používateľ získa komplexné informácie o priebehu chemickej reakcie, vplyve rýchlosti dávkovania, maximálnom tepelnom toku, potenciálne nebezpečnej akumulácii nezreagovaných východiskových materiálov a oveľa viac.