ヒートトランスファーとプロセスのスケールアップ

研究室から製造への化学プロセスのスケールアップは、正確な伝熱係数がわかっている場合にのみ有効な結果が得られます。伝熱係数と反応速度が単なる概算値であれば、大きい安全マージンを適用する必要があり、大きな投資と長いバッチ時間、プロセスの生産性の低下などにつながります。撹拌タンクリアクタでは、ヒートトランスファーは強制対流であり、研究室からプラントへプロセスをスケールアップする場合には、これは特に重要な特性です。リアクタ内全体の伝熱係数は3つの部分的な抵抗（リアクタのフィルム、リアクタの壁、油膜）で構成されており、反応熱量計で測定します。ジャケットとリアクタの（決められた熱量を与えた際に発生する温度差）温度測定によって熱抵抗を正確に計算することができます。これを使用してヒートトランスファーをモデル化し、大規模なリアクタについて重要な予測を行います。

複雑な、または制御の難しいプロセスをスケールアップする場合、ヒートトランスファーとマストランスファー、試薬の蓄積、また発熱速度を包括的に調べることが非常に重要です。 リアクタの冷却能力は、通常は冷却系の能力とリアクタのヒートトランスファーによって制限されるため、反応質量の最大添加速度と生産容量にも制限があります。 反応熱量測定は、製造プラントの能力を最大化するために伝熱係数に影響を与えるパラメータを確認するうえで不可欠です。

撹拌タンクリアクタを研究室からプラントにスケールアップするには、ヒートトランスファーが非常に重要です。ヒートトランスファーは反応物質、冷却系、リアクタ設計の影響を受けるため、総合的な伝熱係数[U]は、リアクタのフィルム[hr]、リアクタの壁[dw/λ]、プロセス側のフィルム[hj]の3つの個別の抵抗で構成されます。ウィルソン法を使用すると、 反応物質に依存する伝熱係数の寄与を評価し、他の抵抗から切り離すことができます。この情報を反応物質やプラントリアクタの固有値と組み合わせることで、生産リアクタのスケールアップモデルの開発や、特定のプロセスの冷却シミュレートが可能になります。

任意の反応物質と温度で、さまざまな撹拌速度を使用して伝熱係数を測定すると、スケールアップ時の冷却挙動をモデル化し、予測するための標準的な方法が得られます。 

既存の生産プロセスから大規模なシステムへの移行に成功するには、反応速度の測定と、温度、濃度、添加速度、およびマストランスファーが収率と副生成物の形成に与える影響を最適化する必要があります。Air Products社の研究者は、複数のステップからなるアルコキシ化プロセスについての研究を行い、これを大規模な製造プラントに適合させました。このプロセスは温度変化に敏感なため、ヒートトランスファーを測定し、冷却に関連する潜在的な問題を特定しプロセスパラメータの影響を調べました。 大規模なプラントリアクタの冷却は、ジャケットに30℃以下の冷却用水を供給することで行いました。 ジャケットによりヒートトランスファーが制限されるため、酸化アルケンの供給速度が制限されていました。強制対流系でのヒートトランスファーの標準的な相関関係を使用して、ヒートトランスファーモデルを開発しました。  

反応熱量計やOptiMax HFCalなどのプロセス開発/スケールアップワークステーション によってリアルタイムの熱力学データが得られ、ヒートトランスファーやその他の不可欠のパラメータに条件の変化が与える影響を調べることができます。EasyMax HFCalなどの小型の反応熱量計 は、スケールアップ時に問題が発生するであろう条件をすばやく特定でき、濃度、温度、または速度論に関連する解析をサポートします。

ヒートフロー反応熱量測定によって、プラントと同じ条件で化学または物理反応により発生する熱を測定できます。リアクタの壁を通る推進力にリアクタのヒートトランスファーの伝熱係数を掛けることで、冷却を容易に、かつ正確に定量することができます。

熱の蓄積、試薬添加時の熱、還流条件での放熱など、個別の熱によりヒートフローバランスを拡張すると、化学反応の進行、添加速度の影響、最大ヒートフロー、潜在的な危険性を持つ未反応の蓄積などに関する包括的な情報が得られます。