Vantaggi nell’utilizzo del Ring Baffle con reattori in vetro
Ogni reazione, per fornire risultati ottimali, necessita di essere condotta ad una determinata temperatura, aspetto questo molto importante e da non sottovalutare nella fase di progettazione del sistema. Ciò è fondamentale in quasi tutte le tipologie di reattori, siano essi in flusso o discontinui, in acciaio o in vetro. In particolare i reattori in vetro sono largamente diffusi grazie alle evidenti proprietà fisiche quali la trasparenza e la stabilità termica e chimica. Un aspetto molto importante nella progettazione dei reattori in vetro, ma in generale di tutti i reattori, è il fatto di essere costruiti conservando i rapporti dimensionali che si ritrovano poi nei sistemi industriali, questo limita fortemente le variabili da considerare quando si esegue lo scale-up.
Reattori in vetro – Ring Buffle
I reattori prodotti dall’azienda giapponese, ASAHI Glassplant (AG!), rispettano le caratteristiche sopra indicate, in quanto il vetro di tutti i reattori viene lavorato in modo da rispettare i rapporti dimensionali. Inoltre, la speciale lavorazione punta anche ad assottigliare le pareti mantenendo invariata la resistenza meccanica. Ciò permette di aumentare la capacità di scambio termico durante tutta la reazione riducendone i tempi e influenzando positivamente il bilanciamento termico. Infatti, i reattori costruiti da AG! permettono di utilizzare criotermostati con potenze inferiori rispetto a quelle normalmente necessarie per l’applicazione specifica.
L’aspetto però più importante è sicuramente rappresentato dalla specifica Ring Baffle, tecnologia esclusiva studiata per potenziare al massimo questi sistemi. Sono degli anelli in vetro posti nella camicia di circolazione del fluido riscaldante/raffreddante, che permettono di garantire la massima omogeneità termostatica aumentando la superficie di scambio termico. Questa tecnologia è applicabile a tutte le tipologie di reattori, dal laboratorio al pilota/produzione, da 300ml fino a 100 litri.
Studio sul Ring Baffle
Al fine di studiare l’effetto di questa particolare ed esclusiva caratteristica tecnica è stato condotto uno studio confrontando i dati ottenuti dall’utilizzo di tre differenti configurazioni da 30L. Il cilindro per tutte e tre le configurazioni prevedeva l’impiego di una doppia camicia di cui la prima, quella più interna, per la circolazione del fluido mentre la seconda, quella più esterna, in vuoto assoluto per l’isolamento.
Schematizzando:
A) reattore con doppia camicia, DN300 con area di trasferimento termico di 0.51m2
B) reattore con doppia camicia, con ingresso fluido a ciclone, DN300, area di trasferimento termico 0.51m2
C) reattore con doppia camicia con tecnologia Ring Baffle, DN350, area di trasferimento termico 0.43m2.
I parametri operativi sono stati impostati in maniera equivalente per tutti e tre ed in particolare:
– ricircolatore per raffreddamento range -90 ÷ +200°C, potenza refrigerante di 15kW a 20°C
– ricircolatore per riscaldamento range-50 – +220°C, potenza riscaldante di 5.3kW
– agitazione mediante ancora fino a 250rpm
– data logger da 10ch
– fluidi: olio siliconico per le alte temperature; etanolo per le basse temperature
Per valutare le performance sono stati presi in considerazione i seguenti fattori:
– variazione della temperatura di processo ad alta e bassa temperatura
– differenza della temperatura tra la camicia e la temperatura di processo
– differenza di temperatura tra l’ingresso e l’uscita della temperatura dell’HTF.
I dati raccolti hanno mostrato notevoli vantaggi nell’utilizzo del cilindro con Ringe Baffle.
Tempo di raggiungimento dei valori di T -80°C e +200°C: il reattore con Ring Baffle ha raggiunto la temperatura impostata in tempi sensibilmente inferiori rispetto agli altri due con un risparmio di tempo pari al 15% in raffreddamento e 17% in riscaldamento.
Differenza di temperatura tra fluido in camicia e soluzione reagente: a valori di circa 55°C la velocità di riscaldamento è paragonabile nelle tre tipologie di cilindri. A valori più alti o più bassi, procedendo quindi verso i due set point, le cose cambiano notevolmente a favore ancora del clindro con i Ring Baffle. Ciò evidenzia ancora una volta la maggior efficienza di scambio tra i due fluidi a causa della speciale modalità costruttiva del vetro e della maggior superficie di scambio generata dai Ring Baffle.
Differenza di temperatura del fluido tra ingresso e uscita: i dati raccolti mostrano che la differenza di temperatura tra l’ingresso e l’uscita del fluido HTF (ΔT(in/out)) cambia durante il processo per tutti i reattori utilizzati. Visto che l’unica variabile del sistema è la tipologia di reattore, la variazione ΔT(in/out) dovrebbe rappresentare la capacità di ogni singolo reattore di trasferire energia termica dal bagno termostatico al processo. Il (ΔT(in/out)) maggiore implica un più efficace trasferimento termico. In altre parole, più elevato è il valore di (ΔT(in/out)) maggiore sarà l’energia trasferita dalle pareti di vetro al reattore. Dai dati raccolti è evidente come nel reattore convenzionale il (ΔT(in/out)) risulti basso durante l’intero processo, il che significa che l’energia termica è trasferita molto lentamente; il valore migliora lievemente con il reattore a ciclone ma diventa massimo in presenza del cilindro con i Ring Baffle confermando l’attesa.
Tutti i risultati raccolti portano quindi alla conclusione che il Ring Baffle in camicia HTF è in grado di migliorare in modo significativo l’efficienza del trasferimento termico massimizzando l’utilizzo dell’HTA e garantendo risultati più accurati, in tempi più rapidi e con un bilancio energetico globale molto più favorevole.
