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Regolazione della temperatura di reazione

Il reattore è l'organo essenziale per la produzione di molecole sintetiche con i processi batch.

La temperatura del processo è controllata da un apparecchio chiamato: modulo di propulsione, skid termico, skid di riscaldamento e raffreddamento oppure circuito "monofluido".

Il reattore è definito da:

  • - Capacità, da 5 a 40 000 litri, in base alla massa del lotto da produrre.
  • - Materiale, resistente alla corrosione esercitata dai reagenti utilizzati e dalle molecole generate durante le reazioni.
  • - Programma di pressione, generalmente tra il vuoto e i 6 bar, occasionalmente 25, 30 bar o superiore per le idrogenazioni.
  • - Programma di temperature, generalmente tra -20 e +150°C, occasionalmente a temperature più basse per i reattori detti "criogenici", o a temperature più alte per la distillazione di prodotti pesanti.

Il reattore può essere costruito e installato per produrre specifiche molecole in base a un percorso reattivo preciso.

Più spesso però, il reattore è polivalente, cioè in grado di produrre, a richiesta, molecole diverse secondo i vari percorsi reattivi entro certi intervalli di pressione e di temperatura dell'apparecchio.

Il mezzo reattivo viene portato a temperatura, regolata grazie alla circolazione di un liquido nel doppio mantello dell'apparecchio.

I due metodi di regolazione utilizzati sono l'iniezione diretta del fluido di servizio nel doppio mantello e la circolazione "monofluido".

Il modulo di propulsione è la soluzione della chimica fine per riscaldare, raffreddare o gestire una reazione esotermica.

E' utilizzato anche per regolare la temperatura di altri apparecchi quali: essiccatori, filtri essiccatori, filtri da "Nutsche" ecc. sempre dotati di doppio mantello alimentato da un circuito di liquido termico detto "monofluido".

Il parametro da regolare è la temperatura di reazione. Anche se si inserisce una sonda nel mezzo reattivo, è bene ricordare che:

La temperatura non è una grandezza misurabile.

La temperatura di un ambiente infatti, è valutata su scala: fa più caldo a 40°C che a 20°C, ma non si può affermare che, raggiunti i 40°C, fa due volte più caldo. Per quanto riguarda appunto la misurazione della temperatura, CELSIUS preferisce fare riferimento alla scala di gradazione CELSIUS. A volte comunque, la temperatura potrà essere espressa in gradi KELVIN (o in Kelvin?) o Fahrenheit.

Il modulo di propulsione è costituito da un circuito di fluido termico:

  • - Il fluido termico è attivo in tutti gli intervalli di temperatura del reattore: il termine "monofluido" fu coniato dal suo inventore, Michel DENTROUX, nel 1991. Il fluido non viene mai cambiato tra le operazioni ad alta temperatura e quelle a bassa temperatura.
  • - Il fluido termico circola nel doppio mantello, o copertura a conchiglia, del reattore, grazie ad una pompa di circolazione
  • - Il fluido termico riceve calore o frigorie attraverso scambiatori di calore installati sulle reti di distribuzione del sito in vapore, acqua, acqua glicolata, acqua salina ecc. (anche azoto liquido). Si tratta di funzionamento a circuito chiuso.
  • - O meglio, il fluido termico monofluido riceve calore o frigorie grazie all'apporto di fluido più caldo o più freddo. In questo caso, il modulo di propulsione lavora a circuito aperto.
  • - Ma può funzionare anche in modalità mista, cioè a circuito semiaperto: con scambiatori di calore per alcuni liquidi di servizio e a iniezione per altri.

Ciascun modulo di propulsione è quindi progettato e costruito specificatamente per:

  • Una capacità reattiva tra qualche litro e qualche decina di metri cubi, in acciaio, leghe Hastelloy o acciaio smaltato, con doppio mantello o semi-guscio a velocità variabile con una o più eliche, turbine, ancore ecc.
  • Un programma di temperatura stabilito per operazioni di composizione, dissoluzione, distillazione, cristallizzazione, essiccamento, condensazione ecc.
  • Siti industriali che dispongano di diverse reti di distribuzioni di caldo e freddo.

Il modulo di propulsione è il risultato di una serie di calcoli che includono:

  • - Il dimensionamento idraulico con lo scopo di calcolare il flusso del circuito monofluido ad ogni intervallo di temperatura. Il punto di funzionamento della pompa matura sulla temperatura della curva caratteristica: a temperatura elevata, la viscosità del fluido è più debole, le perdite di carica nel circuito e il doppio mantello sono ridotti e il flusso aumenta.
  • - Il dimensionamento termico integrando le velocità dei fluidi nel doppio mantello e negli scambiatori, gli spessimetri a parete, la velocità e la potenza di azione, le caratteristiche fisiche del mezzo reattivo, l'isotermia della reazione ecc.
  • - Il calcolo dei numeri senza dimensione Reynolds, Nusselt e dei coefficienti di scambio nello scambiatore e tra reattore e doppio mantello.
  • - La risoluzione di un sistema di equazioni differenziali risultanti dalla simulazione dell'evoluzione di temperature "di massa" nel mezzo reattivo e nel doppio mantello.

Il modulo di propulsione è pilotato da un sistema automatico, permettendo così agli operatori tecnici di concentrarsi sulla chimica della reazione.

L'automatismo può essere fornito da CELSIUS, oppure centralizzato dall'operatore assieme ad altre funzioni del reattore ma sempre in base all'analisi funzionale di CELSIUS.

La temperatura di massa, generalmente, è l'unico parametro di regolazione che si richiede all'operatore di effettuare.

Le principali modalità di regolazione sono le seguenti:

  • - Regolazione della temperatura di massa a cascata con temperatura del doppio mantello.
  • - Regolazione della temperatura del doppio mantello.
  • - Riduzione dello scarto tra le due temperature.
  • - Regolazione della potenza trasmessa.
  • - Regolazione della valvola d'ingresso del reattore, scala di aumento o diminuzione della temperatura, ecc.

E' difficile misurare la temperatura del prodotto in moduli di propulsione che regolano una temperatura di reazione, cristallizzazione o essiccamento in un essiccatore, un filtro seccatore, un filtro "Nutsche" ecc. Inoltre, per tali apparecchi, la modalità di regolazione è la temperatura del fluido termico del doppio mantello, con regolazione fissa o secondo una scala.