Tecnologia Chemflux

I Reattori Intelligenti: combinazione di controllo della temperatura con il
monitoraggio in real-time del processo tramite calorimetria.
La prima parte di questo articolo descrive una nuova tecnologia al servizio dei reattori dal
laboratorio R&D ai piloti /semiscala.
Nella seconda parte verrà discusso l’impatto pratico di potere ridurre il costo ed il tempo di
passaggio di scala tramite l’adozione di queste nuove tecnologie.
Parte prima: I reattori intelligenti Coflux rappresentano una rivoluzione nella gestione dei processi
batch tramite i dati calorimetrici.
Come?
Grazie alla misura diretta e in tempo reale con approccio a
bilancio di calore.
Come?
Il diverso design del reattore Coflux sostituisce la camicia
classica del reattore batch con una serie discreta di bobine
(definibili anche colli, anelli, microcamicie) aventi un
volume ridotto e definito.
Questo design di reattore a batch garantisce un ottimo controllo della temperatura grazie alla
sensibilità dovuta alla geometria della camicia che sfrutta la variazione della superficie di scambio
camicia/bagno in luogo della tradizionale variazione della temperatura della camicia per regolare la
temperatura del reattore.
Il monitoraggio in tempo reale dei dati termici garantisce un ottimo controllo del processo e riduce
la variabilità connessa ai passaggi di scala.
In altre parole nei tradizionali reattori a batch la variazione della TEMPERATURA della camicia
viene utilizzata come controllo dello scambio di calore per la gestione del processo.
Nei reattori Coflux la variazione dell’AREA di scambio termico viene utilizzata come controllo per
la gestione del processo.
Tale articolo si pone come obiettivo quindi la descrizione di un nuovo design di reattore a batch
avente una singolare geometria nel sistema di termostatazione del bagno per garantire una maggiore
performance nel controllo della temperatura ed una superiore distribuzione dell’energia
camicia/bagno.
Il sistema non presenta fenomeni di zone eterogenee di profilo termico lungo la parete del reattore
e/o zone più calde o più fredde nella parete del reattore non a contatto con la massa di reazione.
Su scala di laboratorio
semplifica e rende più
accurata la misura dei dati
termici.
Stazione sperimentale Lara
Design del reattore Coflux da 1 litro
Su scala industriale fornisce la chiave per il controllo dei processi tramite la calorimetria eliminando
le variabili connesse allo scale-up e riducendo i tempi di messa a punto del processo per la
produzione in impianto.
I reattori Chemflux della PSL
utilizzano la tecnologia Coflux per la
gestione
dei
processi
tramite
calorimetria.
Reattore PSL Chemflux da 10 L
Ma riprendiamo il concetto del controllo della temperatura: la maggiore parte degli scambiatori di
calore industriali controllano i processi variando la temperatura dei fluidi di termostatazione.
In laboratorio si applica la stessa tecnica variando la temperatura dei bagni ad olio.
A volte si usa una tecnica “apparentemente più banale”: sia alza o si abbassa il pallone all’interno
del bagno mantenendo costante la temperatura del bagno stesso.
Si sfrutta in questo modo l’area di scambio come strumento chiave per il controllo della temperatura
in luogo alla tradizionale e più “famosa” tecnica di variare la temperatura del fluido di
termostatazione per mantenere la temperatura del bagno al valore desiderato.
Su queste osservazioni nascono le fondamenta della tecnologia Coflux: variare la superficie di
scambio camicia/bagno per gestire i processi nei reattori a batch.
T
C
T
t
Reattori a batch
tradizionali:
Da laboratorio ad impianto
Soluzione da laboratorio
Impianto industriale
T
TC
Reattori a batch
CoFlux:
Da laboratorio ad impianto
Soluzione Alternativa
Reattore industriale Coflux
MA COME?
La soluzione è stata dividere camicia dei reattori a batch in tante microcamicie indipendenti che
vengono inserite o escluse in funzione dell’area di scambio necessaria per gestire il processo.
Ogni elemento di riscaldamento è quindi un anello che circonda il reattore e trasferisce una definita
quantità di calore ed ogni reattore a batch possiede tra i 20 ed i 60 anelli separati che circondano i
reattori. Questa tecnologia si applica a reattori da 10 litri fino scala pilota/semindustriale. Una
valvola a pistone, in cascata al regolatore del bagno gestito in automatico, si alza e si abbassa
inserendo o escludendo gli anelli.
Il design della camicia Coflux permette un’efficiente trasferimento del calore ed il primo obiettivo
è stato quello di semplificare la misura del calore. La calorimetria può essere quindi lo strumento
più versatile per monitorare i processi: può rivelare velocemente un cambiamento del processo e
quanto questo dura.
Il fenomeno si applica a svariate richieste del processo come:
• Cristallizzazioni
• Polimerizzazioni
• Aggiunte in reattori a batch
• Determinazione del fine reazione.
La calorimetria può fornire anche il coefficiente di scambio termico, chiave variabile per
comprendere i fenomeni di natura chimica-fisica che accompagnano le trasformazioni.
Seconda parte: Nonostante tutto ad oggi la calorimetria non è stata sfruttata in modo vantaggioso
per gestire i processi a batch.
I due approcci comunemente utilizzati, a flusso di calore o a compensazione di energia, richiedono
calibrazioni durante i passaggi chiave dei processi con perdite di tempo e difficoltà di riproducibilità
durante le fasi di scale-up.
La tecnologia Coflux si basa su una misura diretta del calore coinvolto nel processo tramite il
bilancio di calore eseguito su un materiale di cui si conoscono le propriètà (il fluido di
termostatazione).
Attualmente, nei reattori classici, questa tecnica mostra una bassa sensibilità perchè alti volumi e
alti flussi in camicia del fluido di termostatazione, uniti alle variazioni della stessa per controllare la
temperatura, tendono ad oscurare i dati termici.
Il design dei reattori Coflux, unendo piccoli volumi di microcamicie con flussi costanti lungo gli
stessi anelli, consentono di applicare l’approccio a bilancio di calore secondo la seguente formula:
Q=mCp(Tout-Tin) dove:
•
•
•
•
Q = calore coinvolto
M = massa del fluido
Cp = capacità termica del fluido di termostatazione
Tin-Tout = temperature in entrata ed uscita del fluido
I dati ottenibili con tale sistema forniscono una misurazione molto sensibile del calore coinvolto in
tempo reale.
Partendo da tale approccio è così possibile monitorare in continuo il coefficiente di scambio termico
U tramite l’approccio a flusso di calore e senza alcuna calibrazione preliminare:
Q=U.A(Treaz-Tcam) dove:
•
•
•
•
•
Q = calore coinvolto
U = coefficiente di scambio termico
A = area di scambio termico
Treaz = temperatura del bagno
Tcam = temperatura della camicia
Il coefficiente di scambio termico viene calcolato in real-time avendo a disposizione per misura
diretta tutte le altre variabili.
La camicia del reattore Chemflux è quindi equipaggiata con strumenti che misurano la portata e la
variazione del fluido di termostatazione (misura a bilancio di calore). Il controllo della temperatura
della camicia dei reattori Coflux ha mostrato una risposta rapida e stabile: questo può essere
attribuito alla sostanziale differenza termica cui opera dovuto ad un ridotto volume del fluido di
termostatazione per ogni anello.
Inoltre il fluido di trasferimento del calore possiede una velocità di passaggio alta, nell’ordine di 3-5
secondi indipendentemente dal volume del reattore.
Le camicie dei reattori tradizionali possiedono zone non a contatto con la massa presente dove il
fluido di termostatazione genera fenomeni di sovrariscaldamento o sottoraffreddamento nella parete
del reattore.
Questi gradienti di temperature sono particolarmente critici nei processi di cristallizzazione. La
capacità di limitare le “zone di lavoro” della camicia Coflux, settando i valori superiore ed inferiore
della valvola a pistone, elimina tali inconvenienti.
Altro elemento importante della tecnologia è rappresentato dal risparmio energetico. I reattori
classici si basano su alte velocità di portata ed alte variazioni di pressione del fluido di
termostatazione all’interno della camicia per trasferire calore.
Questo rappresenta uno spreco di energia: nella camicia Coflux si realizza un buon trasferimento di
calore con un 90% di riduzione di variazione di pressione ed una riduzione nella portata del fluido.
Tutta la tecnologia si basa su una misura diretta a bilancio di calore del fluido senza utilizzare
strumenti invasivi all’interno del processo.
Il primo strumento realizzato seguendo tale approccio è la piattaforma Lara Coflux sviluppato da
Radleys. Il reattorino è in vetro e fornisce dati calorimetrici in real-time; è semplice da utilizzare e
non richiede specialisti perché l’approccio a bilancio di calore non necessita di calibrazioni durante
i passaggi critici dei processi (aggiunte, cristallizzazioni..).
Su scala maggiore i reattori Coflux pilota (fino a 100 litri)/semiscala (1 M3)/industriali (>1 M3)
sono stati realizzati dalla ditta PSL partendo da reattori da 10 litri disponibili in diversi materiali
(vetro, acciaio, astelloy).
Su scala industriale la calorimetria offre in questo caso lo strumento per effettuare studi di scale-up
al fine di incrementare ed ottimizzare i parametri di processo (resa, selettività, purezza, tempi di
ciclo).
Si possono ottimizzare:
•
•
•
•
velocità di aggiunta dei reattivi
determinazione del fine reazione
resa, selettività e qualità del prodotto finito
processi di cristallizzazione in termini di velocità di rampe di raffreddamento e
determinazione del punto di isotermia.
Nei seguenti grafici vengono rappresentati i dati di cinetica e conversione riferiti alla reazione tra
anidride acetica e butanolo per la sintesi dell’acetato di butile. La tecnica calorimetrica sviluppata
nei reattori Coflux viene in questo caso messa a confronto con analisi NIR e Gascromatografia
durante l’aggiunta di butanolo alla massa di reazione.
3
1000
1
500
0
-500
1800
Enthalpy data
-1
NIR data (butyl acetate)
-3
4100
6400
Time (seconds)
-5
8700 11000
3.5
2000
3
2.5
1500
Enthalpy data
GC data
1000
1.5
1
500
0
-500
2
0.5
1800
0
4100 6400 8700 11000
Time (seconds)
Butyl acetate
concentration (moles/L)
1500
Enthalpy (a.u.)
5
First derivative (log (Io/I)
-1
4
at 5138 cm (x 10 )
Enthalpy (a.u.)
7
2000
4
2500
9
2500
Conclusione.
L’ FDA (Food and Drug Administration) è da sempre molto sensibile alle tecnologie per i controlli
analitici dei processi in real-time capaci di evidenziare e dimostrare riproducibilità nei passaggi di
scala. Applicata ai processi a batch, la tecnologia di gestione Coflux ci regala uno strumento
semplice e versatile, ma allo stesso tempo robusto ed affidabile, riducendo i tempi di messa a punto
di un processo da scala pilota a scala produttiva.