Varmeoverførsel og procesopskalering

Opskalering af en kemisk proces fra laboratorium til fremstilling giver kun brugbare resultater med nøjagtige varmeoverførselskoefficienter. Hvis termiske modstande og reaktionshastigheder kun er omtrentlige, skal der anvendes store sikkerhedsmarginer, hvilket resulterer i større investeringer eller længere batchtider, hvilket sænker processens produktivitet. I omrørte tankreaktorer er mekanismen for varmeoverførsel tvungen konvektion, og den er af særlig interesse, når man skalerer en proces fra laboratoriet til anlægget. Den samlede varmeoverførselskoefficient i reaktoren består af tre delvise modstande (reaktorfilm, reaktorvæg, oliefilm), som bestemmes af reaktionskalorimetre. Måling af kappen og reaktortemperaturen under frigivelsen af en veldefineret mængde varme giver forskerne mulighed for nøjagtigt at beregne den termiske modstand, som bruges til at modellere varmeoverførslen og til at lave kritiske forudsigelser for reaktorer i større skala.

Når en kompleks eller følsom proces opskaleres, er omfattende undersøgelser af varme- og masseoverførsel, reagensafehobulation og varmeafgivelseshastigheder afgørende.  Da en reaktors varmefjernelseskapacitet typisk er begrænset af kølesystemets kapacitet og reaktorens varmeoverførsel, er den maksimale reaktanttilførselshastighed og produktionskapaciteten også begrænset.  Reaktion kalorimetri er afgørende for at bestemme parametre, der påvirker varmeoverførselskoefficienter for at udvikle modeller til at maksimere produktionsanlæggets kapacitet.

Når du skalerer en omrørt tankreaktor fra laboratorium til anlæg, er varmeoverførsel afgørende. Da varmeoverførslen påvirkes af reaktionsmassen, varmefjernelsessystemet og reaktordesignet, består den samlede varmeoverførselskoefficient [U] af tre individuelle modstande: reaktorfilmen [hr], reaktorvæggen [dw/λ] og filmen på processiden [hj]. Ved hjælp af Wilson-metoden kan det reaktionsmasseafhængige bidrag fra varmeoverførselskoefficienten karakteriseres og adskilles fra de andre modstande. Ved at kombinere disse oplysninger med egenskaberne ved reaktionsmassen og specifikationerne for anlægsreaktoren gør det muligt at udvikle en opskaleringsmodel for produktionsreaktoren og simulere varmefjernelsesadfærden for en specifik proces.

For enhver reaktionsmasse og temperatur giver måling af varmeoverførselskoefficienten ved forskellige omrøringshastigheder en standardmåde at modellere og estimere varmefjernelseadfærden ved opskalering. 

En vellykket overførsel af en eksisterende fremstillingsproces til et større system kræver måling af reaktionskinetik og optimering af temperatur, koncentration, doseringshastighed og masseoverførsel på udbytte og biproduktdannelse. Forskere hos Air Products undersøgte en flertrins alkoxyleringsproces for at tilpasse den til et større produktionsanlæg. Da processen var temperaturfølsom, blev virkningen af procesparametre undersøgt for at måle varmeafgivelse og identificere potentielle problemer forbundet med varmefjernelse.  Varmefjernelsen i den større reaktor blev leveret af en udvendig kappe forsynet med kølevand på mindst 30 °C.   Alkenoxidtilførselshastigheden blev derfor begrænset på grund af den begrænsede varmeoverførsel fra kappen. En varmeoverførselsmodel blev udviklet ved hjælp af standardkorrelation for varmeoverførsel i tvungne konvektionssystemer.  

Arbejdsstationer til procesudvikling og opskalering, såsom reaktionskalorimetre og OptiMax HFCal, giver forskeren termodynamiske data i realtid og mulighed for at undersøge virkningen af skiftende forhold på varmeoverførsel eller andre vigtige parametre. Reaktionskalorimetre i lille skala, såsom EasyMax HFCal, kan hurtigt identificere ikke-skalerbare forhold og understøtte undersøgelser relateret til koncentrationer, temperatur eller kinetik.

Heat Flow Calorimetry giver brugeren mulighed for at måle varme genereret af en kemisk eller fysisk reaktion under forhold, der er identiske med planteforholdene. Ved blot at multiplicere drivkraften over reaktorvæggen med modstanden mod reaktorens varmeoverførsel kan varmefjernelsen kvantificeres nemt og præcist.

Hvis varmeflowbalancen udvides med yderligere varmetermer, såsom varmeakkumulering, doseringsvarmen eller den varme, der frigives under tilbagesvalingsforhold, får brugeren omfattende information om forløbet af den kemiske reaktion, virkningen af doseringshastigheder, maksimal varmestrøm, potentielt farlig ophobning af ureagerede udgangsmaterialer og meget mere.