CN1309469C - 反应器传热系统 - Google Patents

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Abstract

一种反应系统，其中在导管中传输传热流体通过工艺流体，以及在导管和工艺流体之间的传热面积可以根据由反应产生或吸收的热量而变化，该热量由经过反应的传热流体的温度变化和通过导管的传热流体的质量流量确定。

Description

反应器传热系统
本发明涉及反应系统和特别涉及采用改进传热的反应系统。反应系统可涉及物理和/或化学变化。化学反应涉及例如在两个或多个分子生成新分子的反应包括聚合反应中，在一个分子分解成两个或多个分子的反应中的化学变化。物理反应涉及状态的变化如在结晶、沉淀、蒸发、熔融、固化等中。某些反应可涉及化学和物理变化两者。
本发明涉及改进监测物理和/或化学反应进程的能力，它也涉及通过改进的监测而改进反应系统的控制。由本发明提供的改进控制使得能够生产更高质量和纯度的材料，它使得能够更有效使用反应设备和进一步改进设备的效率，使得对于给定数量的起始原料，获得给定数量的材料所需的反应时间更短。另一个优点在于更小的反应器可用于生产给定体积的材料。
许多反应是危险的并需要采用措施以保证没有事故。由本发明提供的反应的更精确和更及时监测使得反应能够在更严格的界限内进行。这保证安全和可降低反应无效，该无效迄今为止是制造工艺的固有缺点。此外，可以优化反应物的比例，降低为保证反应完全而所需的过量反应物。
不管它们是物理反应、化学反应或两者都有，反应产生或吸收热量并因此存在经过反应的热量变化。从得到的信息已知在特定反应中产生或吸收的理论热量。因此在理论上，在反应过程期间产生或吸收的实际热量，是确定在稳态反应情况下反应效率和在间歇反应情况下反应进程的有用措施。
通过理论说明，考虑典型的化学合成步骤。两种反应物(A和B)在一起反应以形成新化合物(C)如下：
其中A＝A的kmol
B＝B的kmol
C＝C的kmol
根据如下公式建立由此反应产生的热量：
Q＝ΔHr.C(kJ)。
其中ΔHr＝生成每kmol C的热量(kJ/mol)
C＝生成的组分C的kmol(kmol)
ΔHr的数值可以从理论数据或实验室量热计确定。
目前可以采用各种方式使用所述的热量数据。
对于任何反应，最大理论放热量可以计算如下：
Q’＝ΔHrC’(kJ)。
其中Q’＝产生的最大理论热量(kJ)
ΔHr＝生成每kmol C的反应热(kJ/kmol)
C’＝组分C的最大理论产量(kmol)
最大理论产量C’是基于如下假定：一种或两种进料组分(A和B)完全消耗。
如果在工艺期间测量反应热，在任何时间合成的组分C的数量如下：
C＝Q/ΔHr(kmol)
其中C＝生成的C数量(kmol)
Q＝反应期间测量的热量(kJ)
ΔHr＝生成每kmol C的反应热(kJ/kmol)
因此可以通过已知吸收或释放的总热量和反应热(或结晶热等)计算C的总质量。
从存在的反应物数量和工艺的化学计量已知C的预期理论产量。因此从以上信息，可以从以下公式确定转化百分比。
η＝C/C’×100
其中η＝转化百分比
C＝生成的C数量(kmol)
C’＝组分C的最大理论产量(kmol)
在间歇反应中，转化百分比(η)提供识别反应终点和/或最优反应比的有效措施。这可用于降低制造时间，改进装置利用，以及反应效率。
本发明也可用于实验室活动如在实验室量热中。本发明技术的使用可降低或消除常规夹套量热测量中的误差并简化量热测量期间的温度控制。以此方式提供确定理论ΔHr的更快速和更精确方法。不象光学分析设备，该仪器采用固有简单的仪器测量量热数据，不会被通常的工艺效果(结垢，组成变化，温度变化，混合相等)损害。不象光学分析设备，量热仪器的校准不是产物特定的并可以在任何流体上测试和校准仪器。
在连续(平推)流反应器中，反应效率(η)提供控制对反应器进料速率和控制工艺条件的参数。以此方式，可以在小规模平推流反应器中运行常规间歇工艺。这有益于制造工艺的所有方面，包括设备的资金成本更低，增加的装置多用途，产物收率提高，工艺条件更安全(通过更小的投资)，产物产量更大和产物开发时间缩短。
对于小反应器和大反应器两者，监测反应工艺的能力具有另外的安全益处。当未反应的化合物在反应器中积累时，具有在线量热数据的系统可立即识别。这降低由于未反应化学品积累的失控危险。
然而在普通工业使用中的反应器设计固有地不适于测量量热数据，因此上述技术是理论上的。
在普通用途中的化学反应器，例如，药物和精细化学工业分成四个主要类别。标准间歇反应器，其中在搅拌的容器中混合试剂，由通过外夹套循环的传热流体添加或除去热量。对于小规模有机和无机合成反应，它们是最常使用的反应器。具有内盘管的间歇反应器，它是标准间歇反应器的变体且在液体主体内具有另外的传热表面。这些反应器用于具有更高的热量负荷通用间歇反应。环流反应器，其中将反应物通过外部换热器泵送和返回到容器。这些反应器通常用于气体/液体反应，在该情况下将液体通过喷淋喷嘴返回到反应器以产生高气体/液体界面面积。连续反应器，其中在稳态条件下将反应物通过换热器泵送。这些反应器一般用于具有长时间产物运转的大规模制造工艺。
上述四种类型反应器的传热特性具有三种共同的特征：
i.传热流体高速通过换热器循环以保持有利的传热系数。在夹套反应器的情况下，这通过如下方式达到：使用喷嘴向夹套中高速注入传热流体或在具有挡板的夹套周围导引物流。在一些情况下，将用于传热流体流动的盘管焊接到反应器容器的外壁上。
ii.采用传热流体的高质量流量以在传热流体和工艺流体之间保持良好的平均温差。
iii.固定传热面积和通过改变传热流体的温度达到工艺流体的温度控制。在一些情况下，对于增加或降低传热面积存在有限的范围。
上述特征表示在反应器内达到灵活和优化热传能力的良好设计实施。然而，这些特征本身并不适于测量产生或释放的热量数量。通过参考上述试剂A和B之间的化学反应说明此缺陷。(应当注意到例子并不限于化学反应且同等适用于其它化学和物理工艺)。
当两种试剂(A和B)在一起反应以形成C时，释放热量。每秒释放的热量可以表达如下：
q＝ΔHr.c(kW)
其中q＝每秒释放的热量(kW)
ΔHr＝生成每kmol C的反应热(kJ/kmol)
c＝每秒生成的组分C的kmol(kmol/s)
如果工艺温度保持恒定，根据如下公式，释放的热量(q)观察为传热流体中的温升：
q＝m.Cp(tsi-tso)
其中q＝由传热流体吸收的热量，它是由反应释放的热量(kW)
m＝传热流体的质量流量(kg/s)
Cp＝传热流体的比热容(kJ.kg-1K-1)
tsi＝传热流体的入口温度(℃)
tso＝传热流体的出口温度(℃)
然而，为确定q，必须精确测量传热流体的流量和温度变化(tsi-tso)。在上述反应器例子中，有效设计倾向于传热流体的高流量。通常这导致小于1℃的传热流体温度变化(tsi-tso)。IEC A型RTD是可得到的最精确温度测量设备的一种。这些设备的容差为±0.25℃(在安装设备上的误差可能更高)。因此对于1℃的温度变化，热量测量的精度可以预见为±25％或更差。当传热流体温度变化0.1℃时，这会上升到250％。单单该因素就使得事实上不能测量常规反应器中的反应热。此外，在常规反应器上，通过夹套非工艺侧的系统热泄漏可产生严重的误差。
此外，常规化学反应器通常具有迟缓的控制系统，该系统允许本体材料的温度由几度循环。在能量方面，温度的几度变化可表示总体能量释放的显著比例。
此外控制速度更快的原因在于保持导管在恒定温度下的能力允许在新打开的导管上的更高校正温度，控制因此更快速和更精确。
当在良好速度下保持传热流体的流动时，常规反应器提供可接受的传热特性。由于传热表面限于1个或2个离散元件，可以达到有用的工作温升(tsi-tso)的(释放或吸收的能量)范围非常有限。在从工艺中释放的能量较小的情况下，传热流体中的温升可以是程度的函数。除此以外，传热泵的轴能量可以是总体的高比例。
上述限制对用于药物、化学和联合工业的所有反应器(和蒸发器，间歇蒸馏室等)是常见的。因此，当采用这些反应器时，由反应产生或消耗的热量不能用于在任何精度程度内监测反应的进程。
已经在US专利6106785中提出在聚合反应中产生的热量可用于监测反应的进程。然而US专利6106785的系统是监测反应的粗糙方法，该方法涉及采用界面传感器，它的概念基于如下观察：对于聚合工艺，尽管以非线性方式，释放的热量数量对单体转化程度是成比例的。根据US专利6106785，通过实时反应器热平衡的仔细计算，人们可以连续推断转化程度并将它用于控制。一旦可以确定和最终控制转化的实际程度，人们也可以控制反应器的冷却负荷并因此使它与由装置程序设定者分配给它的冷却能力相一致。US专利6106785因此涉及在安全操作参数内优化传热流体的使用和引发剂/抑制剂的加入。
在US专利6106785中，通过操作引入的冷却剂流和温度，间歇控制器数据可直接用于控制反应器混合温度。
在US专利6106785中，转化程度因此不直接测量，但它通过动态评价反应器热平衡而推出。US专利6106785因此使得人们能够从反应器热平衡的动态评价推出转化程度。转化程度的使用替代了关于产物质量(最终用途)性能的反馈控制的特殊传感器。转化程度的使用也替代了用于工艺相关操作如阀门开启和关闭计时的物理时间，以及使得能够达到热量供应/除去，反应物计量等的控制。据称传感器的使用允许间歇进展预测的精度增加并因此使得能够达到与由先前使用系统提供的预测相比，冷却需求情况的更精确预测。
在US专利6106785中，将反应混合物温度和积分热速率作为两个独立工艺变量处理。据称此方案允许用户以定义间歇运行期间任一变量的进展的方式，自由地规定间歇配方，以及在严格，高性能控制下执行它们。由于对于包括PVC的许多重要聚合物，单体转化程度与积分热速率成比例，据称控制这两个变量允许用户独立地控制产物质量的两个基本决定因素。根据US专利6106785，此控制完全定义在每个间歇运行瞬间的热量释放，因此使得通过更可靠的计划和调度，可以更好地采用可变冷却能力。为独立地控制温度和积分热速率，提供的方法调节加入到反应中或从反应取出的热量数量和在间歇运行期间加入的引发剂和抑制剂的数量。
尽管这些技术在优化冷却剂使用中带来益处，它们并不足够精确也没有识别能力以保证复杂检测和反应的控制。本发明提供此问题的解决方案。
在我们的在先未决英国专利申请0110301.9中，我们描述和要求了一个反应器系统，该系统提供对物理和/或化学反应的改进控制。本发明涉及英国专利申请0110301.9在于通过使用在工艺流体和传热流体之间的可变传热面积，能够达到对宽范围操作条件的改进控制。我们的在先未决英国专利申请0110295.3描述了可以与本发明一起使用的测量系统。
因此本发明提供一种反应系统，其中传热流体在导管中传输，该导管是反应器容器壁的一部分和/或穿过工艺流体，以及在导管和工艺流体之间的传热表面积可以根据由反应产生或吸收的热量而变化，该热量由经过反应的传热流体的温度变化和通过导管的传热流体的质量流量确定。
尽管任何形式的导管可用于传热流体，优选为管子、板或盘管，并且将由以下关于盘管的使用描述本发明。
在优选的实施方案中，本发明提供一种反应器系统，该系统包括反应器和换热器，反应器包含反应工艺介质，换热器提供传热流体通过其流动的导管，其中经过反应的传热流体的流量测量值和温度变化用于确定由反应系统产生或吸收的热量且该确定值用于控制在导管和工艺流体之间的传热表面积，其中：
i.在传热流体和工艺流体之间的平均温差为1-1000℃，优选1-100℃
ii.经过反应系统的传热流体的温差(tsi-tso)至少为0.1℃，优选至少1℃
iii.传热流体的线速度至少为0.01m/s，优选至少为0.1m/s。
我们已经发现，在满足了这些标准的条件下，流量和经过反应的传热流体的温度变化的测量使得能够采用高精确度在宽的操作条件范围内确定由反应系统产生或吸收的热量。然后确定值可用于监测和控制在导管和工艺流体之间的传热表面积并因此高度精确地控制反应。
为了有效操作，反应系统应当优选具有如下特性：
a.换热器的可利用表面积应当足以保证当传热流体经过反应器时，在传热流体中观察到可测量的温差(tsi-tso)。为了精确的目的，优选温差大于0.1℃，更优选大于1℃(优选大于5℃，更优选大于10℃)。
b.优选在工艺流体和入口传热流体(tsi)之间保持高温差，以保证可以达到可精确测量的工作流体温差(tsi-tso)并要求更小的传热面积。
c.尽可能地，热量必须仅传递到工艺流体或从工艺流体传递而不传递到其它设备或环境。
d.传热流体必须总是在合理速度下流动。速度会随导管，优选盘管，尺寸和条件变化，但优选它大于0.01m/s，优选大于0.1m/s，最优选大于1m/s。更低的速度会得到更缓慢的温度控制响应。低速度也得到(传热流体的)热容量对放热速率的更高比例。这会在测量热量数值中产生误差。
e.当用于间歇工艺或多目的任务时，传热设备能够在宽能量释放/吸收速率范围内实现稳定操作。范围会根据反应本质变化。在间歇反应的情况下，要求非常宽的操作范围。
为满足以上的条件c，将换热器优选浸入工艺流体中且应当在除了完全浸入工艺流体之外的所有点完全隔热。这保证由传热流体得到或损失的所有热量直接从工艺流体传递或传递到工艺流体。最容易通过设计换热器为完全浸入工艺流体的盘管或板而达到此条件。
进一步优选提供在传热流表面积对传热流体流动能力之间的最优关系。当传热流体(在所需线速度下流动)提供容易测量的温度变化(如10℃)而不引起过度压降时，这样的条件存在。应当注意到最优传热条件分别根据工艺流体和传热流体的性能变化。
为满足这些标准，用于反应器的换热器优选是传热盘管，它优选通过反应流体。盘管的设计对达到本发明的目的是重要的且必须使得在规定条件下传热面积匹配热量携带能力。
本发明的技术可用于其中传热流体直接通过或循环的系统。然而我们已经发现当在恒定速度和温度下输送传热流体时，本发明的系统是最有效的。
可以通过使用如下公式，将盘管的传热面积与液体的流动传输能力相关联：
U.A.LMTD＝m.Cp.(tsi-tso)(kW)
其中U＝总传热系数(kW.m-2.K-1)
A＝传热面积(m2)
m＝传热流体的质量流量(kg/s)
LMTD＝在传热流体和工艺流体之间的对数平均热差(℃)
Cp＝传热流体的比热容(kJ.kg-1K-1)
(tsi-tso)＝在入口和出口之间的传热流体温度(℃)变化，
面积A是与工艺流体接触的面积。
这样，此信息可用于优化从传热流体到传热表面的传热。这可用于确定单个盘管的最优直径对长度关系，因此达到高湍流而不引起传热流体通过换热器的过度压降(如由高雷诺数所示)。或者如果导管是板，公式可用于确定传热流体通过板的最优水力通道。
为了有效操作，优选
a.在入口传热流体和工艺流体之间的温差应当足够大(如5-100℃)，以保证在它通过盘管中传热流体经受可测量的温度变化(＞1℃或优选大于10℃)。然而温度变化必须不太高或太低以引起工艺流体的凝固，析出蜡，沸腾或燃烧。
b.传热面积必须足够大以保证通过工艺流体传热流体经受可测量的温度变化(优选＞1℃或更优选大于10℃)。更小的温度变化限制传热能力和精度。更高的温度变化是所需的，条件是它们并不引起工艺流体的凝固，析出蜡，沸腾或燃烧。
c.传热流体的线速度必须合理地高(优选＞0.1m.s-1)以保持令人满意的控制响应和良好的总传热系数。
d.通过盘管流动的传热流体的压降为0.001-20bar或优选0.1-20bar。
实际上，最优的盘管长度会根据采用的温差和系统的热力学和物理特性而变化。计算最优盘管长度是迭代过程。使用基于低热导率的流体的保守数据和在反应流体和传热流体之间的低温差，来确定通用设备的尺寸。每个盘管具有有限的操作范围。可以通过改变盘管的形状，如通过提供翅片以增加表面积，而完成盘管长度的小变化。
在本发明的系统中，其中传热设备能够在宽能量释放范围内达到稳定操作，系统使得传热面积可以根据特定反应(或反应阶段)的需要而变化。这可方便地通过如下方式完成：提供多个传热导管如管子或盘管，每个管子或盘管具有设计的直径和长度关系以提供确定程度的传热，或具有设计的用于传热流体的表面积和水力通道的板，以提供确定程度的传热。在优选的多盘管系统中，当反应系统的需要指令时，可以将盘管投入操作或停止操作。
或者，可以通过提供反应器壁或用于反应器壁的夹套而变化传热面积，该夹套由一系列用于传热流体的导管组成，当反应系统的需要指令时，可以将导管投入操作或停止操作。以此方式，换热器是或形成容器壁的一部分。相似地换热器可由一系列板组成，当反应系统的需要指令时，可以将板投入操作或停止操作。使用能改进温度控制的可变面积提供更快速和更稳定的温度控制和响应和也使得能够实现固定的用户定义的热通量。
开放盘管中的稳定条件，特别是在量热计中，由于温度过冲效应使得干扰降低。此外控制速度更快，原因在于保持导管温度恒定的能力允许在新打开导管上的更高校正温度。控制因此更快速、更精确。
量热法涉及进入或离开系统的热量测量。在工业工艺的情况下，量热数据对健康和工艺操作进程特别有指导价值。由于如下原因，可变面积设计给出无与伦比的优于常规系统的量热数据：
I.在常规换热器中，大的外部施加热量波动用于控制工艺温度。此“热量噪声”加上固有的控制延迟使精确量热法成为不可能。当使用可变面积设计时，能实质上消除外部施加的波动并基本降低控制延迟。
II.不仅仅可变面积得到更好的温度控制，在测量量热法时，继续这样操作。这降低与系统温度变化相关的误差和复杂性问题。
III.可以设定操作条件以在传热流体中一致地得到高温度变化，而不危害温度控制表现。这使得能够收集精确的温度数据。
参考附图描述本发明的反应系统，其中图1简要说明采用(规定直径)单个传热盘管工作的反应容器。图2简要说明对比反应器，该反应采用三个传热盘管工作以提供本发明的可变传热面积。
图1是反应器(1)的简要说明，反应器包含工艺流体(2)和三米长的冷却盘管(3)。此系统能够精确地测量72-260W之间的能量变化。在较低精度(传热流体中的更小温升)或较缓慢控制响应(传热流体的更缓慢速度)的代价下可实现小于72W的能量释放速率测量。大于260W的测量能量释放速率引入凝固(或燃烧/沸腾，其中施加热量)的危险，因为需要提供非常冷(或热)的传热流体。更高传热流体流的替代选择仅在传热能力方面得到适当的改进(轻微改进的U值和在工艺流体和工作流体之间的更高温差)且在逐渐更低的精度(传热流体中的更小温升)代价下实现。
图2中的反应器显示根据本发明如何能达到72-780W的改进测量范围。通过添加两个另外盘管(4)和(5)增加多用性。当一个盘管操作时，可以测量72-260W范围的热量产生(如在图1反应器中那样)。当三个盘管全部操作时(在公称最大流量下)，可以测量高达780W。通过此方法，可以设计具有更宽操作范围的反应器。
在正常操作中，使用流动调节阀增加传热流体对盘管(或盘管组)的流动。当新盘管接通以容纳上升的负荷时，调节阀会控制流量以保证到更高流动的平稳过渡。这要求对系统压降逐步改变的快速流量控制响应。为在操作条件和宽操作条件之间提供平稳过渡，需要大数目的盘管。应当注意最好操作换热器使开启导管的(传热流体)流量和温度恒定。因此，当采用流量控制时，最好限制此到新开启盘管且保持操作中任何盘管的流量和温度恒定。假定采用足够的导管，另外的解决方案是一个用于引导盘管的开/关控制(而不是流量控制)。或者，开启盘管可在开启和关闭位置之间波动。
在量热方面，开启盘管中的稳定条件由于过冲效应使得干扰降低。在控制方面，保持盘管在恒定温度允许在新开启的盘管上保持更高的校正温度且这导致过冲降低以及因此更快速和更精确的控制。
仪表是本发明系统成功操作的关键方面。测量温度、传热流体的流量和增加或降低传热面积必须要精确和灵敏的仪表。仪器必须在宽流量范围内操作而这可通过将盘管系统分裂成由岐管操作的单独模块而达到。这使得能够根据系统的需要，将不同的盘管投入操作或停止操作。
快速和精确的温度测量是关键的性能要求。为达到此要求，温度元件方便地安装在快速流动传热流体中。应当在温度元件和传热表面之间存在(工作液体的)最小滞留体积。这通过在排出管上使用子歧管而达到，如图3所示。
图3简要说明在基于盘管(9)-(15)的七盘管系统上不同温度测量设备(6)，(7)和(8)。这些设备测量经过盘管流动的传热流体的温度变化。温度设备以串联方式工作。在低流量(盘管9或盘管9和盘管10操作)下，测量设备(6)用于测量排出温度。当三个或更多盘管操作时，测量设备(6)切换到空转而测量设备(7)接替。当五个或更多盘管操作时，(6)和(7)两者切换到空转而测量设备(8)接替。无论盘管和使用的温度设备数目，均可应用此概念。优选当它通过温度元件时，传热流体的线速度为一米每秒或更大(尽管更缓慢的速度可以容忍)。温度设备必须是高度精确和灵敏的。应当注意到单独的入口和出口温度设备可用作差示设备的替代选择。
在优选的工艺中，除了恒定地测量经过它整个范围的工艺并提供必须的安全联锁的正常工艺温度变送器以外，可以提供第二对温度元件以监测特定的工艺设定点。此布置使用两种不同类型的测量元件。主要设备优选为RTD，4导线Pt100 RTD到1/10thDIN标准是特别合适的。将用于提供4-20mA输出信号的变送器跨越到变送器的最小允许值(相似地可以使用任何输出信号类型或温度量程)。特别在工艺设定点校准温度变送器。更大的范围仍然得到可接受的结果，但降低量程到最小可能提供改进的精度和分辩率。因此此布置提供工艺温度测量的特别精确措施。
温度测量系统的元件是与液体接触的设备的一部分。在RTD的情况下，它的电阻响应于变化的温度而变化。RTD的响应不是线性的。变送器是测量设备的校准部分并用于线性化输出到控制系统和将信号转换成工业标准，该标准通常为4-20mA，但也可为1-5V或0-10V。热电偶对温度变化的响应是变化的电压。通常为毫伏每℃。热电偶变送器再次将此信号转换为工业标准，该标准还是通常为4-20mA。因此术语“元件”用于描述工艺中的物理存在，如温度元件位于反应器中并测量反应器内容物温度。术语“变送器”用于描述涉及控制系统温度测量的方面，如温度变送器校准0-100℃并显示反应器的内容物温度。
任何RTD的限制是它对温度逐步变化的响应速度。典型地RTD需要4或5秒以测量温度变化。另一方面，热电偶可更快速地响应于温度波动。为此原因，热电偶也用于监测工艺设定点，T类型热电偶是特别适合的。它的变送器会相似延伸到RTD。然而，由于T类型热电偶的精度仅为±1℃，它不用于监测工艺温度。它的功能是监测工艺温度的变化速率。
这两种类型检测元件的结合使用能提供既精确又敏感的温度控制系统。应当注意到并非所有的工艺条件都要求如此的温度测量精度和控制水平。在这样的情况下，更基本的温度控制和测量系统证明是可容忍的。
为完全采用此两元件方案，通常软件优选用于确定哪个工艺变量(温度，或温度变化速率)在任何一种情况下及时是最显著的。可以使用其它温度测量设备如光学设备(如红外)。测量速度对于系统的有效操作是重要的。
流量的精确测量对于有效操作也是重要的。图4示出对于采用多流设备的图3所示系统的流量测量系统。当盘管(9)或盘管(9)和盘管(10)操作时，流量设备(16)是用于测量流量的低范围设备。当三个或多个盘管操作时，流量设备(17)接替而(16)切换到空转。流量变送器的任何数目可用于达到令人满意的精度。作为一般的规则，要使用的流量设备的数目应当计算如下：
流量设备的数目＝(Fmax-Fmin)/(R.Fmin)
其中Fmax＝最大流量(kg.s-1)
Fmin＝最小流量(kg.s-1)
R＝流量仪器的操作弹性
以上公式涉及到质量流量。设备可使用体积流量设备，然而条件是系统转换体积流量数据成质量流量数据。这可由控制软件自动完成(质量流量＝体积流量×液体密度)。对于灵敏系统(或具有宽温度范围的系统)，对于液体密度的变化应当进行补偿。可以将液体密度的信息手动输入控制系统。或者，控制软件可基于温度使用已建立的数学关系计算密度。或者可以使用质量流量设备。
在本发明中，反应器在恒定温度下操作。温度对环境的任何损失或增益记录为反应活性。优选系统使得在导管之间没有直接的传热。当导管通过工艺流体时，工艺流体自身可提供足够的绝热以防止导管之间的直接传热。然而如果导管是或形成容器壁的一部分，可能必须在导管之间提供保温层。
在我们的优选系统中，三种措施用于考虑任何热量损失。
●由反应之前的零校准补偿热量损失。
●容器在箱中保温或位于箱中以最小化热量损失。
●对于非常灵敏的系统，保温箱由图5所示的独立回路控制温度。
图5中的布置示出具有风扇(18)的第二加热冷却回路，风扇在温度控制箱(19)中循环空气。保温箱中的空气温度由温度测量设备(20)确定并保持在工艺反应温度(31)。这消除了到环境/从环境的热量损失/增益。
必须监测或控制进出系统的任何净热流。当液体(或干燥气体)进入或离开系统时，这些液体或干燥气体应当在反应温度下。如果不是这样，它们应当具有已知的比热和监测的温度和流量。携带出系统的蒸气带来更大的问题。如果气体流是显著的，有两个选择可供采用。将废气的热量损失在试验性运行中测量和在计算中补偿。当气体释放随时间变化时，此解决方案必须仔细用于间歇操作。因此对于间歇操作，优选测量离开反应器的气体流量并将信息转换成热流数据。
系统在等温条件下工作最有效。然而它可用于其中工艺温度变化的反应。在此情况下，必须测量系统的热容量如下：
∑M.Cp＝(Mp.Cpp)+(Mc.Cpc)
其中∑M.Cp＝系统的热容量(kJ/℃)
Mp.＝工艺流体的质量(kg)
Cpp＝工艺流体的比热容(kJ.kg-1.K-1)
Mc.＝与工艺流体接触的设备质量(kg)
Cpc＝与工艺流体接触的设备的比热容(kJ.kg-1.K-1)
实际上，可以通过使用反应器计算∑M.Cp。当工艺不吸收或释放热量时，这通过加热或冷却工艺流体和测量在给定范围内得到的损失或增加的热量而达到。
∑M.Cp＝Q/(ts-tf)(kJ/℃)
其中∑M.Cp＝系统的比热容(kW/℃)
Q＝增加或除去的测量热量数量(kJ)
ts＝在加热或冷却开始时的温度(℃)
tf＝在加热或冷却结束时的温度(℃)
当温度在工艺期间变化时，热容量信息可以输入系统并用作校正因子。热容量信息也用作有用的工艺数据。
常规的反应器具有固定面积的传热表面(或偶而几个元件如在底部盘或壁上的单独区段)。当流往夹套(或盘管)的传热流体流量恒定时，反应器最有效运行。通过改变传热流体温度控制工艺温度。在本发明的优选系统中，传热表面的面积可以根据反应的需要而变化(尽管也可以采用传热流体温度的变化)。
使用可变面积传热表面用于传热流体控制的典型控制布置见图6。在图6中，阀门(21)和(22)是控制传热流体到传热盘管流量的调节阀。它们开启的程度由从反应器(或容器)的温度输出测量值确定。工艺空转时，阀门(23)开启并允许足够的流量以补偿从搅拌器的热量增益。当将负荷施加到工艺时，阀门(21)开启以允许更多传热流体的流动。当阀门(21)在预设定点以上开启时(或当流量规定时)，阀门(24)会开启而阀门(21)会轻微关闭以补偿。当阀门(21)接近它控制范围的顶端时，阀门(22)接替。当阀门(22)逐渐开启时，阀门(23)-(29)以串联方式开启。在优选的操作中，由如下方式达到传热流体速度与开启盘管的更大恒定性：一旦阀门开启就要保持开启且流量的调制限于要投入操作的下一个盘管。
可以采用与流量设备相同的方式(参见以上)计算所需的流量调节阀数目。
可以使用任何数目的调节阀和它们可以串联(如所示)或并联安装。在此优选的系统中，阀门(21)和(22)的开启程度由工艺负荷规定。开启的开关阀(它将盘管开启或关闭)数目由调节阀位置或测量的流量规定。
使用上述流量调节阀的缺点在于它们引起来自外部来源的非理想的热流波动。其优选替代方案是保持在恒定压力下大的供应岐管。这保证开启的盘管总是在恒定流量和温度下通过传热流体。在此情况下，仅将新开启的盘管进行流量控制(通过流量调节或开关阀)。此控制系统的进一步改进为英国专利申请0121375.0的主题。
在恒定压力和温度下将传热流体施加到控制设备。在一些情况下，必须增加操作范围时温度也可以变化。
本发明的关键要求是可靠性。这在药物应用中是特别重要的，目前的药品生产和质量管理规范(cGMP)规定设备在所述的设计参数内操作。
为提供校准的量度并作为性能检查，反应器可以装配电加热器(或一些其它类型的参考加热器)。通过提供对加热器的测量电流，提供可靠的参考负荷用于校准系统并检查性能。在药物应用中，应当验证与软件一起的控制和数据获得系统以遵守cGMP标准。
设备既引入常规仪表也引入工艺特定仪表。当与常规仪表相比，这些工艺特定仪表在比正常更高的精度下操作。图9简要说明典型工艺仪表，该工艺仪表由如下部分组成：
●工艺温度RTD仪表(31)
●工艺温度热电偶仪表(32)
●传热流体差示温度仪表(6)，(7)和(8)
●传热流体流量计仪表(16)和(17)
对于工艺温度RTD仪表(31)和传热流体差示温度仪表(6)，(7)和(8)，匹配RTD传感器到温度变送器可导致显著的改进。RTD传感器的特定特性是对每个设备独特的。通过在此变送器中贮存此信息，获得精度的改进。用于此技术的常数已知为Callendar-Van Dusen(CVD)常数。本发明的独特之处在于它使用另外的校准步骤以增强其仪表的精度。例如，如果CVD技术与高精度RTD(典型地B型-1/10thDIN标准)的使用结合，然后可以进行工艺特异性校准以带来精度的进一步改进。
我们用“工艺特定校准”(如最优反应温度)表示特定地在仪表的正常工艺设定点下校准仪表并调节测量系统误差，使得达到此操作点最好精度(对于正常校准的仪表，通常在最大校准范围下，或在由传感器特性规定的点下得到最好精度)。例如如果工艺要在控制在35℃，在小范围如25-45℃内校准仪表(31)。此外，应当将仪表校准在35℃并调节使得在此特定点，测量系统的误差是可达到的最小值。一旦安装并连接到控制系统，仪表回路的校准可以确认为完全安装并补偿任何控制系统误差。设计控制系统硬件以最小化误差(必须使用精密组件)并因此优化精度。相似地仪表安装必须最小化测量误差。采用这些附加步骤，会获得最大可能的校准精度。
工艺温度热电偶(32)以相似的方式校准，但相对于温度，当它用于测量温度的变化速率时，它的总体精度，尽管仍然重要，较不显著。在高精度热电偶可得到的情况下，它们可以用作首选的测量元件。
传热流体差示温度仪表(6)，(7)和(8)也采用此相同技术以保证达到最好的校准精度。
对于传热流体流量仪表(16)和(17)，技术还是相似的。在小的操作范围内进行在此情况下的校准，及重点在于在优选流量下达到最好的精度。通过使用多个在相对小操作范围内校准的仪表，如0-1个，1-2个，2-3个等，比使用在0-3范围内校准的单个仪表，达到精度的显著改进。通过使用正常流量为仪表量程80-90％的合适尺寸化仪表达到最好的精度。再次，一旦在现场安装并连接到控制系统，仪表回路的校准应当确认为完全安装并补偿任何控制系统误差。还是设计控制系统硬件以最小化误差并因此优化精度。
可以在几个步骤中进行热测量设备的常规校准如下：
第一步骤是零校准。对于精确操作，应当对于采用的每一类型工艺进行零校准。这允许控制系统补偿任何“非工艺”能量变化(如对环境的热量增益和损失，从搅拌器的能量增益等)。将容器采用液体填充并开启搅拌器。然后将它加热到反应温度。当温度在操作温度稳定时，加热/冷却系统会在非常低水平下起作用以补偿非工艺能量变化。在这些条件下调零控制系统。
第二个阶段是确定系统范围和量程。这通过采用参考加热器或冷却器加热或冷却而进行。此加热器或冷却器的形式可以是电加热器或独立的加热/冷却盘管。在几个不同能量输入水平下进行加热(或冷却)以确定系统范围和量程。
或者可以单个测试仪表，在该情况下以上工艺的第二步骤可能不是必须的。
我们已经发现本发明的反应器系统特别适于用作间歇化学合成反应器。我们也发现本发明使得相同尺寸的机器能够用于开发，中试装置和完全制造目的。
本发明的可变面积传热反应器对于快速放热反应是理想的，其中它可在迄今为止进行为间歇反应的工艺上操作为小连续流反应器。不像大的常规间歇反应器，当连续监测反应时，它可以采用此模式操作。能立即检测到此系统的任何减少并停止向前的物流。此系统的布置见图7。或者图7所示的容器可以是换热器(没有搅拌器)，其中通过限制工艺流体的水力通道达到湍流。以此模式操作的益处是多样的。此类型应用反应器的资金成本显著低于常规反应器。此外可以达到更高的产量。由于要求反应物的库存比常规反应器更小，此类型设备对于危险反应也是理想的。如果未消耗的反应物开始积累，也可以将设备编程以停止加入试剂。
图10是可用于本发明的板式换热器的简要分解图。图11示出传热流体通过图10板式换热器板(33)，(34)，(35)和(36)的流动以及图12示出可用于控制传热流体向组成板式加热器的各种板流动的阀系统。
板式换热器一般由几个密闭相连的并联板组成而图10示出四个这样的板(33)，(34)，(35)和(36)，这些板彼此打开以显示在板中可得到的流体流动通道。根据本发明，板具有管子(37)和(38)，该管子具有开口，该开口可以开启或关闭以允许或防止传热流体进入特定的板。提供阀系统(39)，(40)，(41)，(42)和(43)，该阀系统包含活塞(42)和(43)使得阀系统可沿管子(37)和(38)向后和向前滑动，因此开启和/或关闭对单个板的进口。以此方式，阀系统可以根据由反应产生或消耗的热量确定值移动，以提供根据本发明的温度控制。
图13显示另外的系统，其中导管(9)，(10)，(11)，(12)，(13)，(14)和(15)形成容器(1)壁的一部分。如图2中所示，(2)是工艺流体而(30)是传热流体。可以在单个模塑板(44)中形成导管，其中在导管之间形成刺点以防止导管之间的传热。反应器也具有外部保温夹套(45)。可以由先前所述技术测量经过反应的传热流体的温度变化且信息用于将导管投入操作和停止操作，如对于图2-6的反应系统所述。
本发明用于缓慢放热反应，该缓慢放热反应包括其中保持大体积液体的反应。在这些反应器中，以与上述连续反应器相似的方式获得，分析和使用数据。将此设备用于缓慢反应的益处在于可以控制组分的加入速率以防止未反应化学品的积累。也可以识别反应的终点，由于可以向前转移产物，它能够节约使用装置资源，并确信能满足关键质量控制目标。在某些情况下，终点的精确识别也提高产物质量和收率。本发明也能够达到能量效率和更好的反应收率与较少的反应物废物。
热量在工艺流体和传热流体之间传递的速率由总传热系数(U)规定(部分)。U的数值越大，要求的传热面积越小。可以从三种组分计算U数值。
通过工艺流体边界层的传热阻力。
通过盘管的传热阻力。
通过传热流体边界层的传热阻力。
边界层是导管，优选盘管壁任一侧的液体停滞层。搅拌(液体流动)越快，边界层越薄。因此高流量得到更好的传热。同样具有良好热导率的液体得到通过边界层的更好传热。
经过导管，优选盘管，和壁的传热机理是相似的，区别在于(不像边界层)热量传导通过的距离固定。有高热导率的盘管材料能达到更高的传热速率。薄盘管材料也能达到更高的传热速率。
因此高U数值要求如下两者：薄导管，优选盘管材料(具有高热导率)以及在两种液体中的湍流条件(越湍流，越好)。U数值越高，传热要求的面积越小。这意味着更短的传热盘管。
因此优选使用尽可能最薄壁的导管，优选盘管而不损害机械强度和耐腐蚀性。典型的壁厚度为1/2-4mm。
制造导管，优选盘管的材料不是关键的但应当对工艺流体是惰性的。优选的材料包括用于非腐蚀性有机液体的不锈钢、用于使用氯化溶剂或其它腐蚀性化合物的大多数反应的Hastelloy C(22或276)或类似合金。存在特殊的腐蚀条件时，钽和钛是合适的。在某些应用中，可以使用其它材料如塑料、玻璃、玻璃衬里的钢或陶瓷。
本发明的技术可用于测量物理变化的热量如结晶和蒸发的热量。
本发明可采用描述于我们英国专利申请0121375.0中的温度控制措施，该申请采用了导管组，该导管根据在需要控制温度的介质中的温度测量设备来对流体开启和关闭。也可以由多口流量调节阀如描述于我们英国专利申请0121071.5中的调节阀，控制传热流体对导管的流动。
此外，可以使用描述于描述于英国专利申请0110293.8中的技术校准本发明的反应系统。可用于本发明反应系统的控制系统描述于英国专利申请0110295.3。
为了说明的目的，以下实施例仅显示传热盘管的尺寸确定。
实施例1说明单个传热盘管如用于图1的盘管的尺寸确定。实施例2和3说明根据本发明多个传热盘管的尺寸确定和用途。
在这些实施例中，所用的一些的数字是任意的且仅选择用于说明的目的。实施例说明间歇反应器的盘管的尺寸确定，其中发生放热反应。在此理论反应中，试剂A与产物B反应以生成新化合物C如下：
其中A＝A的kg数
B＝B的kg数
C＝C的kg数
放热量ΔHr如下：
ΔHrc＝1,000(kJ/kgc)(1)
采用化合物B预填充间歇反应器。缓慢加入组分A(或者可以通过反应器以所需比例连续泵送两种组分)。对于此实施例的目的，假定它是快速反应且组分B在与A接触时立即反应。放热量因此与(A的)加入速率成比例。如果假定加入速率使得生成0.001kg/s的C
反应器的热负荷(q)＝0.001×1000＝1kW
同时假定反应在恒温条件下进行，从而冷却流体的热负荷也是1kW。
图8是简要说明工艺流体(2)中的典型加热/冷却盘管如图1的盘管(3)的截面，传热流体(30)通过工艺流体流动。
实施例1
传热盘管(3)实现两个功能，它控制工艺温度和也测量释放(或吸收)的热量数量，对于此实施例的目的，术语tsi用于表示测得的传热流体入口温度以及tso用于传热流体出口温度。
i传热流体的温度变化(tsi-tso)必须足够大以提供良好的可测量差值。对于此实施例，已经选择传热流体的10℃温度变化(tsi-tso)。
ii一般情况下，在传热流体和工艺流体之间的温差必须尽可能高，但不要大得使得管子表面发生沸腾，燃烧或凝固。假定反应温度是30℃(tp)。也假定在其下可以将工作流体输送到系统的最低温度是5℃(以避免在外表面上的凝固)。因此工作流体入口温度(tsi)是5℃、出口温度(tso)是15℃[由于(tsi-tso)是10℃]。
一旦选择了(tsi-tso)，传热流体的质量可以确定如下：
m＝q/Cp(tsi-tso)(1)
其中m＝传热流体的质量流量(kg/s)
q＝由传热流体的热量增益＝1(kW)(在此实施例中1kW是反应热)
Cp＝传热流体的比热容＝1.6kJ.kg-1.K-1(基于合成传热流体的选择)
(tsi-tso)＝传热流体的温度变化(选择为10℃)
因此从公式(1)，质量流量(m)＝1/1.6×10＝0.0625kg/s
假定传热流体的密度＝840kg/m3
因此流体的体积流量(W)＝0.0625/840＝0.000074m3/s
盘管几何形状和传热流体的速度的优化为迭代过程。传热流体通过换热器盘管的低速度得到差的控制和测量响应。低速度也导致传热流体热质量对热负荷的大比例。这容易放大温度测量的任何误差。由于它得到更快的控制响应和热质量对热负荷的更好比例，需要高液体速度。然而当速度增加时，通过盘管的压降变得更高。
因此最优的盘管长度足以得到适当的传热面积而不引起过度压降。如果直径太小，压降会太高(由于高液体速度和长的管长度)。如果直径太大，液体速度会太低。
在此实施例中，进行基于4mm直径的初始计算用于第一次迭代如下：
在通过4mm内径管0.000074m3/s的流量下，传热流体的压降计算为是1.24bar/m(基于合成传热流体)。
从如下关系计算管长度
L＝A/πD
其中L＝管长度(m)
A＝管子的表面积(m2)
D＝管直径＝0.004(m)
π＝3.1416
如果换热器是板，等同于管长度的参数是传热流体通过板的流程，并且会要求对计算的适当改进。
反应控制要求的表面积(A)从管子的传热容量确定如下：
A＝q/U.LMTD(m2)
其中A＝管子表面积(m2)
U＝总传热系数＝0.730(kW.m-2.K-1)(对于有机工艺流体和合成油传热流体的估计值)
LMTD＝[(Tp-tsi)-(Tp-tso)]/ln(Tp-tsi)/(Tp-tso)](℃)(在工艺流体和工作流体之间的对数平均热差)
同样Tp＝30
tsi＝5
tso＝15
因此LMTD＝19.6(℃)
因此A＝1/(0.730×19.6)＝0.07m2(m2)
因此L＝0.07/(3.1416×0.004)＝5.6(m)
通过管线的压降＝5.6×1.24＝6.9bar
也可以使用连续性公式计算线速度如下：
V＝W/A
其中V＝线速度(m/s)
W＝体积流量(m3/s)
A＝管子的横截面积(m2)
因此V＝0.000074/(π×0.0042/4)＝5.9(m/s)
此计算结果的总结见下表1。
表1
  盘管负荷   1kW
  管子直径   4mm
  液体流量   0.074l/s
  液体流速   5.9m/s
  管长度   5.6m
  压降   6.9bar
上表表明尽管4mm直径盘管能够在产生1kW热量的反应中操作，这样操作的代价是(传热流体)非常高的压降。工艺负荷超过1kW的小增加会要求甚至更高的流量和更长的盘管，它会导致不可接受的高压降。因此在已经选择仅用于说明目的的条件下，在1kW负荷下，4mm直径盘管是在它操作范围的顶端。
因此选择5mm内径的更大管直径用于第二次迭代。
在通过5mm内径管0.000074m3/s的流量下，传热流体的压是0.42bar/m(基于标准压降计算合成传热流体)。
从如下关系计算管长度
L＝A/πD
其中L＝管长度＝(m)
A＝管子的表面积(m2)
D＝管直径＝0.005(m)
π＝3.1416
从管子的传热容量，使用用于第一次迭代的相同公式确定要求的面积(A)
A＝q/U.LMTD(m2)
然而采用5mm盘管，(注意U的数值在此情况下更低(0.66kW.m-2.K-1)，这是由于工作流体速度的降低(它得到更高的工作侧边界层阻力)。
A＝1/(0.66×19.6)＝0.077m2
L＝0.077/(3.1416×0.005)＝4.9m
通过管线的压降＝4.9×0.42＝2.1bar
同样新速度计算如下：因此V＝0.000074/(π×0.0052/4)＝3.8(m/s)
第二次计算的结果见下表2。
表2
  盘管负荷   1kW
  管子直径   5mm
  液体流量   0.074l/s
  液体流速   3.8m/s
  管长度   4.9m
  压降   2.1bar
5mm直径盘管因此提供良好的线速度和适当的压降。这样的盘管因此用于反应的操作条件，该反应用于此实施例的目的。速度也远大于最小优选数值(1m/s)。
为具有实际用处，传热盘管需要在相对地限于一个特定传热速度的条件范围内操作。表3表明在各种条件下5mm直径盘管的性能(对于有机工艺流体和合成传热流体)。表中的一个常数为通过盘管流动的传热流体温度变化(tsi-tso)总是10℃。
表3
对于5mmø盘管的计算盘管长度
压降 热容量 流量 速度   LMTD5℃   LMTD10℃   LMTD15℃   LMTD20℃   LMTD25℃
  (bar/m)   (W)   (l/s)   m/s   (m)   (m)   (m)   (m)   (m)
  0.1   457   0.033   1.7   8.9   4.4   2.9   2.2   1.8
  0.25   761   0.055   2.8   12.4   6.2   4.2   3.0   2.5
  0.50   1121   0.081   4.1   17.2   8.6   5.7   4.3   3.5
  0.75   1439   0.104   5.3   20.8   10.4   6.9   5.2   4.2
  1.00   1660   0.120   6.1   23.6   11.8   7.9   5.9   4.8
表3中的第1列显示对于给定流量通过盘管的压降(每米盘管)。第2列给出基于10℃温度变化的盘管加热或冷却容量。第3和第4列给出液体的体积流量和流速。最后5列给出对应于所引用LMTD数值要求的最小盘管长度。在这些列顶部引用的LMTD温度数值表示在传热流体和工艺流体之间的对数平均温差。
可以从表3看出取决于工艺热负荷和在工艺流体和工作流体之间的对数平均温差，使用不同的盘管长度。表3显示由于它要求更短的盘管长度，大温差是有益的。
从表3可以看出，良好的通用盘管长度为5.9米。这能够服务表3中设想的任何负荷，其中要求的盘管长度是5.9米或更小。它适于1.66kW的工艺负荷，条件是在工艺流体和传热流体之间的温差至少为20℃。在这些条件下，通过盘管的压降为5.9bar。
在低到0.46kW的热负荷下，盘管也提供适当的传热面积和合理的控制响应。尽管低速度是可以容忍的，但控制系统随流量的降低逐渐变得反应迟缓。同样低速度导致(传热流体)热质量对热负荷的大比例。这倾向于放大温度测量的任何误差。由于它得到更快的控制响应和(传热流体)热质量对热负荷的更好(更低)比例，需要高液体速度。
由于以上给出的原因，一般高传热流体速度是理想的。然而非常高的压降也从湍流和摩擦引入更大的能量。也对可以通过管子泵送多么快的液体存在实际的设备限制。实施例1的单个盘管系统是有用的，但具有它的限制。
如实施例1说明的那样，单个盘管具有最优操作范围。尽管它能够测量传热流体的范围，它具有它的限制。如表3所示，在大于1121W的传热速率下，由于逐渐变长的管子和每米管长度更高压降的需要，经过盘管的压降快速增加。
单个盘管的限制可以说明如下：
采用10℃LMTD(在工艺流体和工作流体之间的对数平均温差)操作的6.2m长盘管的公称操作范围为457-1121W。在最大负荷下，经过盘管的压降为1.55bar。如果在相同条件下采用1660W的热负荷使用此盘管，它必须为11.8米长且相应的压降为11.8bar。如果在相同的条件下，LMTD降低到5℃，则管子需为23.6米长和且获得的压降为23.6bar。
尽管可以通过改变入口温度(tsi)增加盘管的范围，存在限制。如果降低温差(tsi-tso)，由于温度测量设备的限制，系统变得逐渐较不精确。如果温差(tsi-tso)扩大太远，存在凝固工艺流体(或表面沸腾或热损害，其中热量由工艺流体吸收)的危险。
尽管工作流体流量和供应温度是可以改变的两个参数，从而使操作范围变化，可靠的控制方法倾向于一次使用一个控制参数(以及按所需改变其他的步骤)。
实施例1中说明的5mm直径盘管给出大约2.5(1121/457)的操作弹性。如果经过盘管的温差(tsi-tso)从10℃增加到20℃，操作弹性增加到5。增加系统操作范围的另外方法是以串联方式使用多个盘管，它提供可变面积传热表面。这样的系统由如下说明。
增加系统操作范围的方法是采用根据本发明的可变面积传热表面和以串联方式使用多个盘管。这样的系统在实施例2中说明，其中实施例1中说明的盘管尺寸确定的原理应用于一系列盘管。
实施例2
实施例2说明采用多盘管系统的可变面积传热系统，如图2和图3中所说明的设计。如在实施例1中那样，冷却(或加热)盘管系统使用如下的信息来控制工艺温度和连续测量增加或损失的热量：通过盘管的质量流量，温度变化(tsi-tso)和传热流体的比热容。
实施例2说明如下事实：反应器可以满足处理产生500-15,000W范围热量的放热反应的要求。该大小范围超过实施例1中说明的单个传热盘管系统的操作能力。还可以采用串联方式，使用此实施例中说明的多个盘管(在此实施例中，使用每个11.8m长的相同盘管)，有效地操作这样的反应器。采用由1.7m/s传热流体操作的一个盘管，457W的热负荷得到10℃的工作流体温升(tsi-tso)。如果在相同条件下，传热流体的速度增加到6.1m/s，容量增加到1,660W(参见表3)。如果在最大流量下使用两个盘管，容量是3,320W。通过以此方式增加盘管，甚至可以测量更大的热负荷。例如，如果在最大流量下使用十个盘管，容量是16,600W。此系统因此提供大约36(16,600/457)的操作弹性。因此，通过改变流体流速和盘管数目，可以在宽范围内采用高精度测量热容量。
迄今为止描述的设备具有高达36的操作弹性。实际上，1000或更大的操作弹性是理想的。对于间歇反应这是很重要的，其中需要精确地识别终点。或者，高操作弹性可用于从间歇向连续操作切换的工艺操作。在其它情况下，可以在能量释放(或吸收)速度宽范围变化的多个应用中使用相同的设备。上述单个盘管操作弹性能力(温度、流速)使系统能够适于不同的操作条件。然而必须认识到在正常操作中，需要对每个导管的恒定流量和温度。为此原因，许多导管得到可变面积控制的最好呈现(与带来的所有益处)。尽管先前所述的设备具有相当的用途，由于需要不实际的盘管数目，它具有对于此类型应用的限制。因此本发明的另外实施方案使用多个盘管用于改变可变传热面积，如实施例3所说明的那样。
实施例3
表4给出具有不同直径和长度的一系列盘管的传热容量。
表4
  盘管直径   盘管长度范围   操作范围
  (mm)   (m)   (W)
  1   0.13-0.6   4-22
  2   0.9-2.3   40-141
  3   1.9-4.7   118-429
  4   3.0-7.8   249-913
  5   4.4-11.8   457-1660
为达到操作范围，与实施例2一样，LMTD取为10℃和(tsi-tso)取为10℃。在表4第2和第3列中给出的范围端值表示传热流体最小和最大流量的计算值。最小流量导致0.1bar.m-1的(工作流体)压降而最大流量导致1bar.m-1的(工作流体)压降。
盘管直径和长度的此结合提供操作弹性非常高的系统。例如，可以设计六盘管反应器以在低至4W而高达5000W下操作。表5显示不同直径的6个盘管的累积容量。
表5
  盘管数目   盘管直径   盘管范围   积累范围
  (mm)   (W)   (W)
  1   1mm   4-22   4-22
  2   1mm   4-22   4-44
  3   2mm   40-141   4-185
  4   3mm   118-429   4-614
  5   5mm   457-1660   4-2274
  6   5mm   457-1660   4-3934
每个盘管的尺寸对应为表4中所示的最大长度。六个盘管的公称操作弹性是984。
当单个1mm直径盘管在操作时，如果(tsi-tso)逐步降到5℃，公称操作弹性增加到1967(2-3934W)。
当所有盘管均在操作时，如果(tsi-tso)逐步升到20℃，公称操作弹性增加到3934(2-7868W)。
上述六盘管布置提供良好的操作范围。但是当盘管开启时要达到平滑的热流过渡更难以实现。在六盘管系统有两个选项。首先可以变化供应压力或温度以提供中间加热/冷却容量。或者开关阀可以采用更复杂顺序操作。然而优选的解决方案是使用更多的盘管。例如，系统可使用10个1mmø盘管，10个2mmø盘管和10个3mmø盘管。
本发明因此使得能够采用简单反应器设计达到非常大的操作范围。
在某些情况下，严格分析会要求更大的重叠(在操作范围方面)以保证当操作时，管子可以在优选的流体流速范围内操作。
本发明可用于改进工业上化学和物理反应系统的操作。然而它也可用于提供具有可比工业产量的相对更小的反应系统。例如，本发明使得能够降低反应器尺寸10倍，以及，在一些情况下，100倍或更大。特别地它可应用于目前的工业。
●目前在10-20,000升反应器中进行的间歇有机合成反应。
●目前在10-20,000升反应器中进行的本体药物合成反应。
●目前在10-20,000升反应器中进行的间歇聚合反应。
●目前用于不稳定材料(容易自加速失控的化合物)的10-20,000升间歇合成反应。
●目前在10-20,000升反应器中进行的间歇无机合成反应。
该技术也可用于大规模化学和石油化工操作。
该技术也具有作为研究和开发应用替代量热法的价值。在此能力中，它可用于在1mL～10L容积设备中的等温量热。该技术也可应用于小规模反应。在此能力中，它用于1mL～10mL容积的反应设备。

Claims (26)

1.一种控制反应系统的温度的设备，其中传热流体在多元件导管中传输，该多元件导管形成反应器容器壁的一部分和/或穿过工艺流体，并且在多元件导管和工艺流体之间的传热表面积可以通过将导管的元件投入或退出操作来改变以弥补反应系统温度的变化。
2.根据权利要求1的设备，其中所述导管由多根管子或多根盘管组成。
3.根据权利要求2的设备，其中管子或盘管的壁为1/2-4mm厚。
4.根据权利要求1的设备，其中传热表面积包括两个或多个板。
5.根据权利要求1的设备，其中：
i.在传热流体和工艺流体之间的平均温差为1-1000℃，
ii.经过反应系统的传热流体的温差(tsi-tso)至少为0.1℃，
iii.传热流体的线速度至少为0.01m/s。
6.根据权利要求5的设备，其中在传热流体和工艺流体之间的平均温差为1-100℃。
7.根据权利要求5或6的设备，其中经过反应系统的传热流体的温差(tsi-tso)至少为1℃。
8.根据权利要求5或6的设备，其中传热流体的线速度至少为0.1m/s。
9.根据权利要求1的设备，其中在所述导管和工艺流体之间的传热表面积足以使传热流体中的温差(tsi-tso)大于1℃。
10.根据权利要求9的设备，其中温差大于5℃。
11.根据权利要求1的设备，其中导管由多根管子或多根盘管组成且首先通过如下公式计算所要求的传热面积，从而计算传热管子或盘管的直径对长度关系：
U.A.LMTD＝m.Cp.(tsi-tso)(kW)
其中U＝总传热系数(kW.m-2.K-1)
A＝传热面积(m2)
m＝传热流体的质量流量(kg/s)
LMTD＝在传热流体和工艺流体之间的对数平均温差(℃)
Cp＝传热流体的比热容(kJ.kg-1K-1)
(tsi-tso)＝在入口和出口之间的传热流体温度变化(℃)，
以及确定盘管的直径对长度关系从而能够在传热流体中达到高的雷诺数而没有过度压降。
12.根据权利要求1的设备，包括多个传热管子或盘管，设计每个管子或盘管的直径和长度关系以提供确定程度的传热，且其中可以根据测量反应器的温度输出值而测量的由反应产生或吸收的热量将管子或盘管投入操作和退出操作。
13.根据权利要求4的设备，其中设计板和通过板的传热流体的水力通道的表面积，以提供确定程度的传热，且其中可以根据测量的由反应产生或吸收的热量将板投入操作和退出操作。
14.根据权利要求1的设备，具有调节到传热导管的传热流体流量的控制阀，该阀由反应器内容物温度测量的输出信号操作。
15.根据权利要求14的设备，其中串联安装控制阀。
16.根据权利要求14的设备，其中并联安装控制阀。
17.根据权利要求1的设备控制间歇化学合成反应中的温度的用途。
18.根据权利要求17的用途，用于目前在10-20,000升反应器中进行的间歇有机合成反应中。
19.根据权利要求17或18的用途，用于目前在10-20,000升反应器中进行的本体药物合成反应中。
20.根据权利要求17或18的用途，用于目前在10-20,000升反应器中进行的间歇聚合反应中。
21.根据权利要求17或18的用途，用于目前用于不稳定材料的10-20,000升间歇合成反应中。
22.根据权利要求17或18的用途，用于目前在10-20,000升反应器中进行的间歇无机合成反应中。
23.根据权利要求1-16任一项的设备控制连续反应中的温度的用途。
24.根据权利要求1-16任一项的设备控制1mL-10L容积的反应器温度的用途。
25.一种设备在测量反应体系热量平衡的用途，所述设备包括多元件导管，所述导管形成反应器容器壁的一部分和/或穿过工艺流体，其中所述导管和工艺流体之间的传热表面积可通过将导管的元件投入或退出操作而改变，以获得流过反应的传热流体中所希望的温度变化和流过导管的传热流体的所希望的质量流量，从而改善热量平衡的测量。
26.根据权利要求25的用途，其中所述设备包括量热计。
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