열 전달 및 공정 확장

실험실에서 제조에 이르기까지 화학 공정을 확장함으로써 정확한 열 전달 계수만으로 유용한 결과를 제공합니다. 열 저항 및 역학이 근사치에 불과한 경우 큰 범위의 안전 마진을 적용해야 하는데 이로 인해 투자 금액이 증대되거나 배치 시간이 증가하고 공정 생산성이 감소할 수 있습니다. 교반 탱크 반응기에서 열 전달 메커니즘은 강제 대류이며 실험실에서 공장에 이르기까지 공정을 확장하는 경우 특히 관심을 기울여야 합니다. 반응기의 전체 열 전달 계수는 반응 열량계로 측정되는 세 가지 부분적인 저항(반응기 필름, 반응기 벽면, 오일 필름)으로 구성됩니다. 잘 정의된 열 양을 방출하는 중 자켓 온도 및 반응기 온도를 측정함으로써 연구원들은 열 전달을 모형으로 만들고 큰 규모의 반응기에 대해 중요한 예측을 하는데 사용되는 열 저항을 정확하게 계산할 수 있습니다.

복잡하거나 민감한 공정을 확장할 경우 열 및 질량 전달, 시약 축적 및 열 전달 속도에 대한 포괄적인 검사가 매우 중요합니다.  반응기의 열 제거 용량은 냉각 시스템 용량 및 반응기의 열 전달에 의해 일반적으로 제한되기 때문에 최대 반응물 공급 속도 및 생산 용량도 제한됩니다.  제조 공장 용량을 최대화하는 모델을 개발하기 위해 열 전달 계수에 영향을 미치는 파라미터를 측정하는데 있어 반응 열량계는 필수입니다.

실험실에서부터 공장에 이르는 교반 탱크 반응기를 확장할 때 열 전달은 매우 중요합니다. 열 전달은 반응 물질, 열 제거 시스템 및 반응기 설계에 영향을 받기 때문에 전체 열 전달 계수[U]는 세 가지 개별 저항 요소인 반응기 필름[hr], 반응기 벽면[dw/λ] 및 공정 측면 필름[hj]으로 구성됩니다. 윌슨 분석법을 사용함으로써  열 전달 계수에 대한 반응 물질 의존 기여도를 특성화할 수 있고 다른 저항으로부터 분리할 수 있습니다. 이 정보와 반응 물질의 특징 및 공장 반응기의 세부 사항을 조합함으로써 생산 반응기에 적합한 확장 모델을 개발할 수 있고 특정 공정에 적합한 열 제거 거동을 시뮬레이션할 수 있습니다.

모든 반응 물질 및 온도에 대해 다양한 교반 속도에서 열 전달 계수를 측정함으로써 확장 시 열 제거 거동을 모형화하고 예측할 수 있는 표준 방법을 제공합니다. 

기존의 제조 공정을 대형 시스템으로 성공적으로 이전할 시 반응 역학을 측정해야 하고 온도, 농도, 투여 속도 및 수율과 부산물 형성에 대한 질량 전달을 최적화해야 합니다. Air Products의 연구원들은 대형 제조 공장에 맞게 조정하기 위해 다단계 알콕실화 공정을 조사했습니다. 공정이 온도에 민감해짐에 따라 열 방출을 측정하고 열 제거와 관련된 잠재 문제를 식별하기 위해 공정 파라미터의 영향을 조사했습니다.  대형 공장 반응기 내 열 제거 시 30°C 미만의 냉각수를 공급하는 외부 자켓이 제공되었습니다.  그러므로 자켓에 의해 제한된 열 전달로 인해 알켄 산화물 공급 속도는 제한되었습니다 강제 대류 시스템에서 열 전달에 적합한 표준 상관 관계를 사용하여 열 전달 모델을 개발했습니다.  

반응 열량계 및 OptiMax HFCal,  등의 공정 개발 및 확장 워크스테이션은 과학자에게 열역학 데이터를 실시간으로 제공하고 열 전달 또는 기타 필수 파라미터의 변화 조건에 미치는 영향을 조사할 수 있는 기능을 제공합니다. EasyMax HFCal, 등의 소형 반응 열량계는 비확장 조건을 빠르게 식별할 수 있고 농도, 온도 또는 역학과 관련된 연구를 지원할 수 있습니다.

열 흐름 열량계를 통해 사용자는 공장 조건과 동일한 조건에서 화학 또는 물리적 반응에 의해 생성된 열을 측정할 수 있습니다. 반응기 열 전달에 대해 저항성을 갖춘 반응기 벽면에 걸쳐 추진력을 간단하게 배가시킴으로써 쉽고 정확하게 열 제거를 정량화할 수 있습니다.

열 축적, 투여된 열 또는 역류 조건하에서 방출된 열 등의 추가 열 조건을 통해 열 흐름 균형이 확대된 경우 사용자는 화학 반응, 투여 속도 영향, 최대 열 흐름 진행 상황 및 비반응 시작 물질과 같이 잠재적으로 위험한 누적에 대한 포괄적인 정보를 확보할 수 있습니다.