Přenos tepla a škálování procesů

Rozšíření chemického procesu z laboratoře do výroby poskytuje pouze užitečné výsledky s přesnými koeficienty přenosu tepla. Pokud jsou tepelné odpory a reakční rychlosti pouze přibližné, musí být uplatněny velké bezpečnostní rezervy, což vede k větším investicím nebo delším dobám šarží, což snižuje produktivitu procesu. U reaktorů s míchanými nádržemi je mechanismem přenosu tepla nucená konvekce a je zvláště zajímavá při škálování procesu z laboratoře do elektrárny. Celkový součinitel prostupu tepla v reaktoru se skládá ze tří dílčích odporů (reaktorový film, stěna reaktoru, olejový film), které jsou stanoveny reakčními kalorimetry. Měření teploty pláště a reaktoru během uvolňování dobře definovaného množství tepla umožňuje výzkumníkům přesně vypočítat tepelný odpor, který se používá k modelování přenosu tepla a k vytváření kritických předpovědí pro reaktory ve větším měřítku.

Při rozšiřování složitého nebo citlivého procesu je rozhodující komplexní zkoumání přenosu tepla a hmoty, akumulace činidel a rychlosti uvolňování tepla.  Vzhledem k tomu, že kapacita odvodu tepla reaktoru je obvykle omezena kapacitou chladicího systému a přenosem tepla reaktoru, je omezena také maximální rychlost přívodu reaktantu a výrobní kapacita.  Reakční kalorimetrie je nezbytné určit parametry, které ovlivňují koeficienty prostupu tepla pro vývoj modelů pro maximalizaci kapacity výrobního závodu.

Při přemísťování reaktoru s míchanou nádrží z laboratoře do závodu je přenos tepla kritický. Vzhledem k tomu, že přenos tepla je ovlivněn reakční hmotou, systémem odvodu tepla a konstrukcí reaktoru, celkový koeficient přenosu tepla [U] se skládá ze tří jednotlivých odporů: reaktorového filmu [hr], stěny reaktoru [dw/λ] a filmu na straně procesu [hj]. Pomocí Wilsonovy metody lze charakterizovat příspěvek koeficientu prostupu tepla závislý na reakční hmotě a oddělit jej od ostatních odporů. Kombinace těchto informací s charakteristikami reakční hmoty a specifiky reaktoru závodu umožňuje vyvinout model pro zvětšení výrobního reaktoru a simulovat chování při odvádění tepla pro konkrétní proces.

Pro jakoukoli reakční hmotu a teplotu poskytuje měření koeficientu prostupu tepla při různých rychlostech míchání standardní způsob modelování a odhadu chování při odvádění tepla při převádění. 

Úspěšný převod stávajícího výrobního procesu do většího systému vyžaduje měření reakční kinetiky a optimalizaci vlivu teploty, koncentrace, rychlosti dávkování a přenosu hmoty na výtěžek a tvorbu vedlejších produktů. Výzkumníci společnosti Air Products zkoumali vícestupňový proces alkoxylace, aby jej přizpůsobili většímu výrobnímu závodu. Vzhledem k tomu, že proces byl citlivý na teplotu, byl zkoumán dopad parametrů procesu, aby bylo možné změřit uvolňování tepla a identifikovat potenciální problémy spojené s odváděním tepla.  Odvod tepla ve větším reaktoru elektrárny byl zajištěn vnějším pláštěm zásobovaným chladicí vodou o teplotě nejméně 30 °C.   Rychlost přívodu oxidu alkenu byla proto omezena z důvodu omezeného přenosu tepla pláštěm. Byl vyvinut model přenosu tepla využívající standardní korelaci pro přenos tepla v systémech s nucenou konvekcí.  

Pracovní stanice pro vývoj a rozšiřování procesů, jako jsou reakční kalorimetry a OptiMax HFCal, poskytují vědcům termodynamická data v reálném čase a schopnost zkoumat dopad měnících se podmínek na přenos tepla nebo jiné podstatné parametry. Reakční kalorimetry v malém měřítku, jako je EasyMax HFCal, mohou rychle identifikovat neškálovatelné podmínky a podporovat studie související s koncentracemi, teplotou nebo kinetikou.

Kalorimetrie tepelného toku umožňuje uživateli měřit teplo generované chemickou nebo fyzikální reakcí za podmínek shodných s podmínkami závodu. Jednoduchým vynásobením hnací síly na stěně reaktoru odporem vůči přenosu tepla reaktoru lze odvod tepla snadno a přesně kvantifikovat.

Pokud je bilance tepelného toku rozšířena o další tepelné pojmy, jako je akumulace tepla, dávkovací teplo nebo teplo uvolněné za zpětných podmínek, získá uživatel komplexní informace o průběhu chemické reakce, vlivu rychlosti dávkování, maximálním tepelném toku, potenciálně nebezpečné akumulaci nezreagovaných výchozích surovin a mnoho dalšího.