Prenos toplote in povečanje procesov

Povečanje kemičnega procesa od laboratorija do proizvodnje daje koristne rezultate le z natančnimi koeficienti prenosa toplote. Če so toplotni upori in hitrosti reakcije le približni, je treba uporabiti velike varnostne rezerve, kar ima za posledico večje naložbe ali daljše šaržne čase, kar zmanjšuje produktivnost procesa. V reaktorjih z mešalnikom je mehanizem prenosa toplote prisilna konvekcija in je še posebej zanimiv pri skaliranju procesa iz laboratorija v obrat. Skupni koeficient prenosa toplote v reaktorju je sestavljen iz treh delnih uporov (reaktorski film, stena reaktorja, oljni film), ki se določijo z reakcijskimi kalorimetri. Merjenje temperature plašča in reaktorja med sproščanjem dobro opredeljene količine toplote omogoča raziskovalcem, da natančno izračunajo toplotno upornost, ki se uporablja za modeliranje prenosa toplote in za kritične napovedi za reaktorje v večjem obsegu.

Ko se kompleksen ali občutljiv proces poveča, so kritične celovite preiskave prenosa toplote in mase, kopičenja reagentov in hitrosti sproščanja toplote.  Ker je zmogljivost odvzema toplote reaktorja običajno omejena z zmogljivostjo hladilnega sistema in prenosom toplote reaktorja, sta omejena tudi največja hitrost dovajanja reaktanta in proizvodna zmogljivost.  Reakcijska kalorimetrija je bistvenega pomena za določitev parametrov, ki vplivajo na koeficiente prenosa toplote, za razvoj modelov za povečanje zmogljivosti proizvodnega obrata.

Pri skaliranju reaktorja z mešanim rezervoarjem od laboratorija do obrata je prenos toplote ključnega pomena. Ker na prenos toplote vplivajo reakcijska masa, sistem za odstranjevanje toplote in zasnova reaktorja, je skupni koeficient prenosa toplote [U] sestavljen iz treh posameznih uporov: reaktorskega filma [hr], stene reaktorja [dw/λ] in filma na strani procesa [hj]. Z uporabo Wilsonove metode lahko karakteriziramo in ločimo od drugih uporov reakcijsko maso, ki je odvisen od reakcijske mase. Združevanje teh informacij z značilnostmi reakcijske mase in posebnostmi reaktorja elektrarne omogoča razvoj modela povečanja proizvodnega reaktorja in simulacijo obnašanja odstranjevanja toplote za določen proces.

Za vsako reakcijsko maso in temperaturo merjenje koeficienta prenosa toplote pri različnih hitrostih mešanja zagotavlja standardni način za modeliranje in oceno obnašanja odvajanja toplote pri povečanju. 

Uspešen prenos obstoječega proizvodnega procesa v večji sistem zahteva merjenje reakcijske kinetike in optimizacijo vpliva temperature, koncentracije, hitrosti doziranja in prenosa mase na donos in tvorbo stranskih proizvodov. Raziskovalci pri Air Products so raziskali večstopenjski postopek alkoksilacije, da bi ga prilagodili večjemu proizvodnemu obratu. Ker je bil postopek občutljiv na temperaturo, je bil raziskan vpliv procesnih parametrov, da bi izmerili sproščanje toplote in ugotovili morebitne težave, povezane z odstranjevanjem toplote.  Odvajanje toplote v večjem reaktorju je bilo zagotovljeno z zunanjim plaščem, ki se napaja s hladilno vodo najmanj 30 °C.   Hitrost dovajanja alken oksida je bila zato omejena zaradi omejenega prenosa toplote s plaščem. Model prenosa toplote je bil razvit z uporabo standardne korelacije za prenos toplote v sistemih prisilne konvekcije.  

Delovne postaje za razvoj in razširitev procesov, kot so reakcijski kalorimetri in OptiMax HFCal, znanstvenikom zagotavljajo termodinamične podatke v realnem času in možnost raziskovanja vpliva spreminjajočih se pogojev na prenos toplote ali druge bistvene parametre. Majhni reakcijski kalorimetri, kot je EasyMax HFCal, lahko hitro prepoznajo nerazširljive pogoje in podpirajo študije, povezane s koncentracijami, temperaturo ali kinetiko.

Kalorimetrija toplotnega toka omogoča uporabniku merjenje toplote, ki nastane s kemično ali fizikalno reakcijo v pogojih, ki so enaki pogojem rastline. S preprostim množenjem gonilne sile čez steno reaktorja z odpornostjo na prenos toplote reaktorja je mogoče odstranitev toplote enostavno in natančno količinsko opredeliti.

Če se bilanca toplotnega toka razširi z dodatnimi toplotnimi pogoji, kot so akumulacija toplote, toplota doziranja ali toplota, ki se sprošča v pogojih refluksa, uporabnik pridobi izčrpne informacije o poteku kemijske reakcije, vplivu hitrosti doziranja, največjem toplotnem pretoku, potencialno nevarnem kopičenju nereagiranih vhodnih materialov in še veliko več.