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根据反应量热数据进行热率放大计算(“环氧氯丙烷水解反应的过程安全放大方面”的第2部分)

张贴者 Donald J. Knoechel博士 在09.18.20

在上一期新闻中,我们显示了表氯醇(EPI)水解后反应物质中包含的大量能量。对于我们的通用配方(27.1%wt表氯醇,72.4 wt%水,0.5 wt%酸催化剂[69%硝酸水溶液]),总绝热电位为+ 195.8°C,如反应量热法和差示扫描量热法(DSC)所示其中包括预期的反应热和高温活化的聚合/分解热。 最终,将通过绝热量热法(Fauske VSP2)来确定该总势能以及所需反应能与不希望的聚合/分解能之间的重叠(如果有的话),这将是本新闻系列的第三部分。

但是,如果要扩大该过程,则所需反应热的管理对于过程安全至关重要。 尽管这些反应在实验室反应量热仪中通过外套冷却即可轻松控制,但用秤控制多容易呢?最终,我们将执行一些简单的计算,以说明如何大规模地处理环氧氯丙烷水解过程所带来的这些热挑战。

图1-1

首先,将提供全系列的EPI水解反应量热法(RC)实验,以从热流分布图上了解半间歇过程的动力学。 图1显示了一系列四个反应量热法,涵盖了三种不同的EPI深圳风采速度(1、3、5 g / min)和两种不同的温度(60°C,80°C)。具体而言,在80°C下运行,EPI进料速率为1 g / min(80-1 HF),3 g / min(80-3 HF)和5 g / min(80-5 HF),在60°下运行显示了EPI进料速度为3 g / min(60-3 HF)的C。  还显示了相应的深圳风采配置文件。  表1总结了从这四个运行中得出的RC数据。

 

表格1

在这四套工艺条件中,毫不奇怪,较低的温度60°C和3 g / min的进料速度会导致最高的堆积量(58.8%)。也就是说,由于深圳风采结束后未反应的EPI而产生的最大能量。 即使在80°C且进料速度为1 g / min的情况下,EPI也有少量积累,但仅为11%。在80°C时,很容易看出深圳风采的时间越长,积累的量就越少,并且热流分布图越接近深圳风采限制的分布图(方波),最终,EPI会在深圳风采后立即起反应。

 

通常,在间歇设备中,人们将依靠夹套冷却来除去反应热并控制温度。如果将环氧氯丙烷水解分批工艺规模扩大到2000 kg EPI,并在12,000升(直径2.4 m)反应器中运行,则通用配方的搅拌量将为7,250升,对应于15.1 m的传热面积2 (一种)。 如果储罐是玻璃衬里钢(GLS),则典型的传热系数(U)为〜300 W / m2K.假设反应器和夹套(DT)之间的最大温差为50°C,则我们的最大冷却容量为UADT = 300 x 15.1 x 50 = 226,500W。对于2000 kg EPI批次大小,归一化冷却容量为113.3 W / kg EPI。

 

如果构造的反应堆材料为哈氏合金C(HC),则可以使用稍大的U(500 W / m2K)。同样,对于HC,冷却能力将为UADT = 500 x 15.1 x 50 = 377,500W。对于2000 kg EPI批次大小,标准化冷却能力为188.8 W / kg EPI。  请注意,对于每种建筑材料,所有传热系数的假定值均处于性能范围的上限。当然,外套结垢和传热流体的选择也会影响这些假定的U值。

 

图2显示了我们的四个RC系列的现在归一化的(W / kg EPI)热流曲线以及玻璃衬里钢(GLS)和哈氏合金C(HC )反应堆。

 

图2-1可以很容易地看出,在80℃5 g / min和3 g / min的情况下,在搪玻璃钢反应器或Hastelloy反应器中的夹套冷却都不充分,因为大部分热通量曲线都超过了冷却能力线。尽管由于大量的堆积(58.8%)而可能无法以这种方式运行该过程,但可以看到,如果深圳风采时间更长,HC反应器将接近以60°C,3 g / min的速度处理。> 1 hour.  同样,搪玻璃钢反应器接近80°C,1 g / min的情况(如果说要深圳风采),> 2 hours.  显然,有必要对EPI进行扩展的受控深圳风采,以大规模执行此过程。

 

实际上,在80°C的条件下进行了0.822 g / min的深圳风采(126分钟),结果如图3所示(图2的更新版本)。

 

图3-1

实际上,在80°C下深圳风采超过2小时的EPI时,所得的加热速率等于或低于搪玻璃钢反应堆的冷却能力线。

 

来自80°C,0.822 g / min运行的相关RC数据(见表1)为总质量379.8 g,总热量-91,578 J,深圳风采EPI 102.68 g(1.108摩尔),反应热-82.7 kJ / mol EPI,深圳风采时间2:06:09,累积百分率9.53%,反应前Cp,4.378 J / g°C,反应后Cp 3.819 J / g°C,预计绝热温升+ 63.1°C和动态DT广告 + 6.0℃。 

 

 

当出于冷却能力的原因扩大规模而需要扩大规模时,应强调两点。首先,只有在冷却损失的情况下停止深圳风采时,才能实现由扩展的深圳风采最小化累积所提供的固有安全性。同样,对于延长的深圳风采,在实验室中使用预计的深圳风采时间执行验证运行非常重要,以确保长时间深圳风采仍能生产出具有所需质量和纯度的材料。

 

总而言之,我们希望本文能够使读者对扩大放热的EPI水解过程以控制所需的反应能同时避免二次聚合/分解所面临的挑战表示赞赏。这也是如何使用RC数据优化流程的示例。 在给定可用的冷却能力的情况下,该数据使得可以确定最快的反应物实际深圳风采速率,或者可以确定所需的工艺温度或深圳风采速率所需的冷却。

 

下一篇文章将介绍通过绝热量热法(VSP2)看到的实际失控情况(在80°C时全EPI加法)及其含义。 救济系统设计。 此外,我们将回顾本系列第一篇文章中介绍的最大速率时间曲线(源自反应后混合物的DSC筛选),以了解ARC,VSP2和热活度监测器(TAM)仪器的位置检测第二反应性的发作。最后,如果需要的话,考虑到其他工具的其他数据,我们将修改过程的重要性等级评估。

 

反应量热法在Mettler-Toledo RC1中进行。

 

如果您对工艺规模放大问题或反应量热需求有兴趣,请通过([email protected]或630-887-5251)与Don Knoechel联系以讨论您的工艺或通过以下方式与我们联系:

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