Truyền nhiệt và Mở rộng quá trình

Mở rộng quy mô một quá trình hóa học từ phòng thí nghiệm sang sản xuất chỉ mang lại kết quả hữu ích khi hệ số truyền nhiệt chính xác. Nếu nhiệt trở và tỷ lệ phản ứng chỉ mang tính tương đối, thì phải sử dụng biên độ an toàn lớn, dẫn đến đầu tư lớn hơn hoặc thời gian mẻ dài hơn, làm giảm năng suất của quy trình. Trong các thiết bị bình phản ứng khuấy trộn, cơ chế truyền nhiệt là đối lưu cưỡng bức và là một phần cần đặc biệt quan tâm khi điều chỉnh quy mô quy trình từ phòng thí nghiệm sang nhà máy. Hệ số truyền nhiệt tổng thể trong thiết bị phản ứng bao gồm ba điện trở từng phần (màng thiết bị phản ứng, vách thiết bị phản ứng phản ứng, màng dầu), được xác định bằng nhiệt kế phản ứng. Đo nhiệt độ thiết bị phản ứng hai lớp trong quá trình giải phóng một lượng nhiệt được xác định rõ ràng cho phép các nhà nghiên cứu tính toán chính xác điện trở nhiệt, được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và để dự đoán chính xác cho các thiết bị phản ứng ở quy mô lớn hơn.

Khi một quá trình phức tạp hoặc nhạy được mở rộng, các nghiên cứu toàn diện về truyền nhiệt và dẫn chất, tích tụ tinh thể và tốc độ giải phóng nhiệt là rất quan trọng. Vì khả năng loại bỏ nhiệt của thiết bị phản ứng thường bị hạn chế bởi khả năng của hệ thống làm lạnh và việc truyền nhiệt của thiết bị phản ứng, nên tốc độ cung cấp phản ứng tối đa và khả năng sản xuất cũng bị hạn chế. Phép đo nhiệt lượng phản ứng là điều cần thiết để xác định các thông số ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt để phát triển các mô hình nhằm tối đa hóa công suất nhà máy sản xuất.

Khi mở rộng một thiết bị phản ứng khuấy trộn phòng thí nghiệm sang nhà máy, truyền nhiệt là rất quan trọng. Do quá trình truyền nhiệt bị ảnh hưởng bởi khối lượng phản ứng, hệ thống loại bỏ nhiệt và thiết kế thiết bị phản ứng, hệ số truyền nhiệt tổng thể [U] bao gồm ba điện trở riêng: màng thiết bị phản ứng [hr], vách thiết bị phản ứng [dw / λ] và màng cạnh quá trình [hj]. Sử dụng phương pháp Wilson, khối lượng phản ứng phụ thuộc vào sự đóng góp của hệ số truyền nhiệt có thể được đặc trưng như thế nào và tách ra khỏi các điện trở khác. Kết hợp thông tin này với các đặc tính của khối lượng phản ứng và các chi tiết cụ thể của thiết bị phản ứng của nhà máy, cho phép phát triển một mô hình quy mô cho thiết bị phản ứng dùng trong sản xuất và mô phỏng các hành vi loại bỏ nhiệt cho một quá trình cụ thể.

Đối với bất kỳ khối lượng và nhiệt độ phản ứng nào, đo hệ số truyền nhiệt ở các tốc độ khuấy khác nhau giúp cung cấp một hướng đi chuẩn để mô hình hoá và ước lượng hoạt động loại bỏ nhiệt độ trên quy mô lớn.

Chuyển đổi thành công quy trình sản xuất hiện tại sang hệ thống lớn đòi hỏi phải đo lường động học phản ứng và tối ưu hoá tác động của nhiệt độ, nồng độ, tỷ lệ liều lượng, và dẫn chất đối với năng suất và sự hình thành sản phẩm. Các nhà nghiên cứu tại Air Products đã nghiên cứu quy trình alkoxyl hóa đa bước để thích nghi với một nhà máy sản xuất lớn hơn. Vì quá trình nhạy với nhiệt độ nên tác động của các tham số quá trình đã được khảo sát nhằm xác định sự giải phóng nhiệt và xác định các vấn đề tiềm ẩn liên quan đến loại bỏ nhiệt. Việc loại bỏ nhiệt trong thiết bị phản ứng nhà máy lớn hơn được cung cấp dưới dạng một lớp vỏ ngoài được cấp nước làm lạnh không dưới 30 ° C. Tốc độ nạp oxit kiềm do đó bị hạn chế, do sự truyền nhiệt hạn chế bởi lớp vỏ. Một mô hình truyền nhiệt đã được phát triển bằng cách sử dụng tương quan tiêu chuẩn cho truyền nhiệt trong các hệ thống đối lưu cưỡng bức.

Các máy thực hiện phát triển quy trình và mở rộng quy mô, chẳng hạn như nhiệt lượng kế phản ứng và OptioMax HFCal, cung cấp cho các nhà khoa học dữ liệu nhiệt động lực học trong thời gian thực và khả năng nghiên cứu tác động của thay đổi các điều kiện lên truyền nhiệt hoặc các thông số thiết yếu khác. Các nhiệt lượng kế phản ứng quy mô nhỏ, như EasyMax HFCal, có thể xác định các điều kiện không thể mở rộng một cách nhanh chóng và hỗ trợ các nghiên cứu liên quan đến nồng độ, nhiệt độ hoặc động học.

Heat Flow Calorimetry cho phép người sử dụng đo nhiệt được tạo ra bởi một phản ứng hóa học hoặc vật lý tại các điều kiện giống với điều kiện của nhà máy. Bằng cách đơn giản nhân động lực qua vách thiết bị phản ứng với khả năng chịu nhiệt của truyền nhiệt thiết bị phản ứng, việc loại bỏ nhiệt có thể được định lượng một cách dễ dàng và chính xác.

Nếu sự cân bằng dòng nhiệt được mở rộng bởi các điều kiện nhiệt bổ sung, chẳng hạn như sự tích tụ nhiệt, nhiệt lượng liều hoặc nhiệt được giải phóng trong điều kiện hồi lưu, người sử dụng sẽ có được thông tin toàn diện về tiến triển của phản ứng hóa học, tác động của tỷ lệ định lượng, luồng nhiệt tối đa, sự tích tụ nguy hiểm của các vật liệu khởi đầu không phản ứng và nhiều hơn thế nữa.