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Regulierung der Reaktionstemperatur

Der Reaktor ist die wesentliche Vorrichtung bei der Herstellung von Synthesemolekülen mit Hilfe von Batchprozessen.

Die Prozesstemperatur wird durch eine Ausrüstung mit der Bezeichnung: Energiemodul, Thermo-Skid, Heiz- und Kühl-Skid oder „Monofluid"-Kreislauf gesteuert.

Der Reaktor ist definiert durch:

  • - Eine Kapazität von 5 Litern bis zu 40.000 Litern je nach Masse der herzustellenden Charge.
  • - Ein Material, das der Korrosion durch die verwendeten Reagenzien und sogar der Korrosion durch die während der Reaktionen „entstehenden“ Moleküle widersteht.
  • - Ein Programm von Drücken, im allgemeinen zwischen dem Vakuum und 6 Bar, gelegentlich aber auch von 25, 30 Bar oder mehr bei Hydrierungen.
  • - Ein Programm von Temperaturen, im allgemeinen zwischen –20 und + 150°C, gelegentlich aber auch mit niedrigeren Temperaturen für sogenannte „kryogene“ Reaktoren oder mit höheren Temperaturen zur Destillation schwerer Produkte.

Der Reaktor wird manchmal gebaut und installiert, um ein spezifisches Molekül nach einem präzisen Reaktionsweg herzustellen.

Aber der Reaktor ist am häufigsten polyvalent, um auf Anfrage verschiedene Moleküle gemäß vielfältigen Reaktionsmethoden innerhalb der Druck- und Temperaturbereiche des Geräts herzustellen.

Das Reaktionsmedium wird auf die erforderliche Temperatur gebracht und die Temperatur wird reguliert, indem eine Flüssigkeit im Doppelmantel des Geräts zirkuliert.

Die beiden verwendeten Regulationstechnologien sind die Direkteinspritzung eines Betriebsmediums in den Doppelmantel und die Kreislaufmethode, die man als „Monofluid“ bezeichnet.

Das Energiemodul ist die Lösung der Feinchemie zum Erhitzen. Abkühlen oder um eine exotherme Reaktion zu beherrschen.

Das Energiemodul wird ebenfalls zur Regulierung anderer Geräte als der eigentlichen Reaktoren verwendet: Trockner, Trockenfilter, „'Nutsche'',… sind ebenfalls mit einem Doppelmantel ausgestattet, der von einem Thermofluid-Kreislauf, dem ''Monofluid“, versorgt wird.

Die zu regulierende Einstellung ist die Reaktionstemperatur. Selbst wenn man eine Sonde in das Reaktionsmedium taucht, muss man eines wissen:

Die Temperatur ist keine messbare Größe.

Tatsächlich wird die Temperatur eines Mediums auf einer Skala gemessen: bei 40°C ist es wärmer als bei 20°C, aber wir können nicht sagen, dass es doppelt so warm ist. In der Firma CELSIUS ziehen wir es vor, CELSIUS-Grade zu verwenden, aber wir drücken uns gelegentlich auch in KELVIN-Graden (oder in Kelvin?) sowie in Fahrenheit-Graden aus.

Das Energiemodul besteht aus einem Thermofluid-Kreislauf:

  • - Das Thermofluid arbeitet im ganzen Bereich der Reaktortemperatur: es wird als „Monofluid“ bezeichnet, das ist ein Begriff, der 1991 von Michel DENTROUX erfunden wurde. Das Fluid wird zwischen den Arbeitsgängen bei hoher Temperatur und den Arbeitsgängen bei niedriger Temperatur nicht gewechselt.
  • - Das Thermofluid zirkuliert mit Hilfe einer Umwälzpumpe als Kreislauf innerhalb des Doppelmantels oder des Gehäuses des Reaktors.
  • - Das Thermofluid erhält die Kalorienzufuhr durch Austauscher von den Verteilernetzen für Dampf, Wasser, Glykolwasser, Salzlake,… oder flüssigen Stickstoff des Standorts. Dabei handelt es sich um eine Funktionsweise im geschlossenen Kreislauf.
  • - Oder das Thermofluid als Monofluid erhält die Kalorienzufuhr durch wärmere oder kältere Fluide. In diesem Fall arbeitet das Energiemodul im offenen Kreislauf .
  • - Das Energiemodul kann ebenfalls im gemischten Modus im halboffenen Kreislauf arbeiten: mit Austauschern für manche Betriebsfluide, mit Einspritzung für andere.

Jedes Energiemodul ist spezifisch dimensioniert und konstruiert:

  • Bei einer Reaktorkapazität zwischen einigen Litern und einigen Dutzend Kubikmetern aus Edelstahl, Hastelloy oder Emailstahl mit Doppelmantel oder halbem Gehäuse, mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben durch eine oder mehrere Schrauben, Antriebsräder, Anker,…
  • Für ein definiertes Temperaturprogramm für Misch-, Lösungs-, Destillations-, Kristallisations-, Trocknungs-, Kondensierungsvorgänge,…
  • Für einen Industriestandort, der über verschiedene Verteilernetze für Kälte und Wärme verfügt.

Das Energiemodul wird anlässlich einer Reihe von Berechnungen dimensioniert, darunter:

  • - Hydraulische Dimensionierung mit dem Ziel, den Durchsatz des Monofluid-Kreislaufs bei jeder Temperatur zu berechnen. Der Arbeitspunkt der Pumpe verändert sich mit der Temperatur auf der charakteristischen Kurve: bei hoher Temperatur ist die Viskosität niedriger, die Lastverluste im Kreislauf und im Doppelmantel sind geringer und der Durchsatz höher.
  • - Eine thermische Dimensionierung mit den Geschwindigkeiten der Fluide im Doppelmantel und in den Austauschern, mit den Wanddicken, der Geschwindigkeit und der Rührleistung, den physikalischen Merkmalen des Reaktionsmediums, der Exothermie der Reaktion….
  • - Die Berechnung der dimensionslosen Reynolds- oder Nusselt-Zahlen und der Austauschkoeffizienten im Austauscher und zwischen Reaktor und Doppelmantel.
  • - Die Lösung eines Systems aus Differentialgleichungen führt zur Simulation der „Massen“-Temperaturentwicklung im Reaktionsmedium und im Doppelmantel.

Das Energiemodul wird durch eine Automatik gesteuert, welche die Operatoren der technischen Funktion freisetzt, um ihre Aufmerksamkeit auf die Reaktionschemie zu konzentrieren.

Die Automatik wird entweder von CELSIUS geliefert oder vom Betreiber mit den anderen Funktionen des Reaktors zentralisiert, aber auf der Basis der Funktionsanalyse von CELSIUS.

Ganz allgemein ist die Massentemperatur die einzige vom Betreiber verlangte Regulierungseinstellung.

Die wichtigsten Regulationsmodi sind:

  • - Regulierung der Massentemperatur in Kaskade mit der Temperatur des Doppelmantels.
  • - Regulierung der Temperatur des Doppelmantels.
  • - Begrenzung des Abstands zwischen den beiden Temperaturen.
  • - Regulierung der übertragenen Leistung.
  • - Regulierung des Reagenzieneingabeventils, Temperaturanstiegs- oder Abkühlungsflanke,…

Bei den Energiemodulen, die eine Reaktions-, Kristallisations- oder Trocknungstemperatur in einem Trockner, einem Trockenfilter, einer „Nutsche'' regulieren,… ist es sehr schwierig, die Temperatur des Produkts zu messen. Daher entspricht in diesen Geräten der Regulierungsmodus der Temperatur des Thermofluids des Doppelmantels mit einem Festwert oder gemäß einer Flanke.