Varmeoverføring og prosessoppskalering

Oppskalering av en kjemisk prosess fra laboratorium til produksjon gir bare nyttige resultater med nøyaktige varmeoverføringskoeffisienter. Hvis termiske motstander og reaksjonshastigheter bare er omtrentlige, må store sikkerhetsmarginer brukes, noe som resulterer i større investeringer eller lengre batchtider, noe som reduserer produktiviteten til prosessen. I omrørte tankreaktorer er mekanismen for varmeoverføring tvungen konveksjon, og det er av spesiell interesse når man skalerer en prosess fra laboratoriet til anlegget. Den totale varmeoverføringskoeffisienten i reaktoren består av tre delvise motstander (reaktorfilm, reaktorvegg, oljefilm), som bestemmes av reaksjonskalorimetre. Ved å måle kappen og reaktortemperaturen under frigjøringen av en veldefinert mengde varme kan forskere nøyaktig beregne den termiske motstanden, som brukes til å modellere varmeoverføringen og til å lage kritiske spådommer for reaktorer i større skala.

Når en kompleks eller sensitiv prosess skaleres opp, er omfattende undersøkelser av varme- og masseoverføring, reagensakkumulering og varmeutslippshastigheter avgjørende.  Siden varmefjerningskapasiteten til en reaktor vanligvis er begrenset av kjølesystemets kapasitet og varmeoverføringen til reaktoren, er den maksimale reaktanttilførselshastigheten og produksjonskapasiteten også begrenset.  Reaksjon kalorimetri er avgjørende for å bestemme parametere som påvirker varmeoverføringskoeffisienter for å utvikle modeller for å maksimere produksjonsanleggets kapasitet.

Når du skalerer en omrørt tankreaktor fra laboratorium til anlegg, er varmeoverføring avgjørende. Siden varmeoverføring påvirkes av reaksjonsmassen, varmefjerningssystemet og reaktordesignet, består den totale varmeoverføringskoeffisienten [U] av tre individuelle motstander: reaktorfilmen [hr], reaktorveggen [dw/λ] og prosesssidefilmen [hj]. Ved hjelp av Wilson-metoden kan det reaksjonsmasseavhengige bidraget fra varmeoverføringskoeffisienten karakteriseres og skilles fra de andre motstandene. Ved å kombinere denne informasjonen med egenskapene til reaksjonsmassen og spesifikasjonene til anleggsreaktoren, kan du utvikle en oppskaleringsmodell for produksjonsreaktoren, og simulere varmefjerningsatferden for en spesifikk prosess.

For enhver reaksjonsmasse og temperatur gir måling av varmeoverføringskoeffisienten ved forskjellige omrøringshastigheter en standard måte å modellere og estimere varmefjerningsatferden ved oppskalering. 

Vellykket overføring av en eksisterende produksjonsprosess til et større system krever måling av reaksjonskinetikk og optimalisering av virkningen av temperatur, konsentrasjon, doseringshastighet og masseoverføring på utbytte og biproduktdannelse. Forskere ved Air Products undersøkte en flertrinns alkoxyleringsprosess for å tilpasse den til et større produksjonsanlegg. Siden prosessen var temperaturfølsom, ble virkningen av prosessparametere undersøkt for å måle varmeutslipp og identifisere potensielle problemer knyttet til varmefjerning.  Varmefjerning i den større anleggsreaktoren ble gitt av en utvendig kappe forsynt med kjølevann ikke mindre enn 30 °C.   Alkenoksidtilførselshastigheten ble derfor begrenset på grunn av den begrensede varmeoverføringen fra jacketen. En varmeoverføringsmodell ble utviklet ved hjelp av standard korrelasjon for varmeoverføring i tvungne konveksjonssystemer.  

Arbeidsstasjoner for prosessutvikling og oppskalering, som reaksjonskalorimetre og OptiMax HFCal, gir forskeren termodynamiske data i sanntid og muligheten til å undersøke virkningen av endrede forhold på varmeoverføring eller andre viktige parametere. Småskala reaksjonskalorimetre, som EasyMax HFCal, kan identifisere ikke-skalerbare forhold raskt og støtte studier relatert til konsentrasjoner, temperatur eller kinetikk.

Heat Flow Calorimetry lar brukeren måle varme generert av en kjemisk eller fysisk reaksjon under forhold som er identiske med planteforholdene. Ved ganske enkelt å multiplisere drivkraften over reaktorveggen med motstanden mot reaktorvarmeoverføringen, kan varmefjerningen kvantifiseres enkelt og nøyaktig.

Hvis varmestrømningsbalansen utvides med ytterligere varmetermer, for eksempel varmeakkumulering, doseringsvarmen eller varmen som frigjøres under tilbakeløpsforhold, får brukeren omfattende informasjon om fremdriften av den kjemiske reaksjonen, virkningen av doseringshastigheter, maksimal varmestrøm, potensielt farlig akkumulering av ureagerte utgangsmaterialer og mye mer.