Regolazione della temperatura di reazione

• 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 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.

La scelta del fluido termico per trasferire calore o frigorie ad un processo dipende essenzialmente dalle condizioni di temperatura e di pressione a cui è sottoposto il fluido.

Il miglior fluido termico è l’ACQUA, che presenta importanti vantaggi: costo molto contenuto ed eccellenti proprietà termiche.

Ma l’acqua presenta anche due inconvenienti che possono essere scoraggianti:

• Può essere molto reattiva se esposta ai reagenti presenti nel processo e potrebbe provocare gravi incidenti in caso di rottura di confine.
• Inoltre, la massa volumetrica dell’acqua solida è inferiore a quella dell’acqua liquida. Questa proprietà molto rara, che l’acqua condivide soltanto con il bismuto, è causa di parecchi danni.

Un compromesso interessante è rappresentato da un fluido termico a base d’acqua:

• L’ACQUA SALINA, soluzione acquosa di cloruro di calcio il cui punto di fusione, a temperatura negativa, dipende dalla concentrazione. Le prestazioni termiche dell’acqua salina sono superiori a quelle dell’acqua, ma la corrosione dovuta ai cloruri limita molto l’uso del composto alle basse temperature.
• L’ACQUA GLICOLATA, composto d’acqua e di etilenglicole o propilenglicole utilizzato a temperature sia negative che elevate. L’aggiunta di glicole ha il vantaggio di abbassare il punto di fusione dell’acqua e ridurre la pressione del vapore ad alte temperature.

E’ anche possibile utilizzare solventi organici, puri o diluiti con acqua, ma soltanto a basse temperature, per evitare il rischio di incendio:

• L’ACQUA CON ETANOLO, composto d’acqua ed etanolo per le reti di distribuzione raffreddanti.
• Il METANOLO puro, per applicazioni a circuito monofluido dette “criogeniche” in intervalli di temperatura tra -80/+50°C.

Con temperature molto basse o molto elevate, o con punti di funzionamento oscillanti tra queste temperature estreme, sarà necessario utilizzare un olio termico sintetico.

L’utilizzo degli oli deve essere limitato allo stretto necessario perché, oltre ai costi elevati, questi presentano l’inconveniente di essere altamente infiammabili.

In Francia l’utilizzo di olio termico a temperature superiori a quelle del punto di accensione è sottoposto a regolamentazione delle Installazioni Classificate nel registro 2951.

• 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 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.

• 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.

CELSIUS has developed a PLC and automation programs dedicated to the temperature regulation of synthesis reactors.

The advantages of this policy are:

• The programs have been standardized and proven over many test days. Programming errors and time wasted on debugging on site are avoided.
• The automatic regulation is supplemented by a process simulation program based on the thermal balances established during the design of the unit. Thus, before the delivery of the Energy Control Unit, its operation is simulated for several weeks. At any time, the mass and loop temperatures are calculated according to the position of the valves. These tests optimize the proportional and integral parameters of each regulator. The Energy Control Unit is then delivered with a preset automation depending on the reactor and its operating conditions. Commissioning takes place in less than a day.
• The Energy Control Unit is piloted from a touch screen (ATEX or not) on the operator’s workstation. It can also be controlled remotely from a computer by WEB link.
• CELSIUS controls the hardware and software evolutions of its automata during the many years of future exploitation of the Energy Control Units and without license constraints. Upon request, CELSIUS provides after-sales service for the devices via WEB link.