calorímetro de reacción

La calorimetría de flujo de calor mide el calor que fluye a través de la pared del reactor y lo cuantifica en relación con otros flujos de energía dentro del reactor.

${\displaystyle Q=UA(T_{r}-T_{j})}$

dónde:

${\displaystyle Q}$→ Potencia de calentamiento (o enfriamiento) del proceso (W)

${\displaystyle U}$→ coeficiente global de transferencia de calor (W/(m²K ⁾ )

${\displaystyle A}$ → Área de transferencia de calor ( ^m² )

${\displaystyle T_{r}}$ → temperatura del proceso (K)

${\displaystyle T_{j}}$ → Temperatura de la chaqueta (K)

La calorimetría de flujo de calor permite al usuario medir el calor mientras la temperatura del proceso se mantiene bajo control. Si bien la fuerza impulsora T _r − T _j se mide con una resolución relativamente alta, el coeficiente global de transferencia de calor U o el factor de calibración UA se determina mediante calibración antes y después de que tenga lugar la reacción. Estos factores se ven afectados por la composición del producto, la temperatura del proceso, la velocidad de agitación, la viscosidad y el nivel del líquido. ^{[ 1 ]}

En la calorimetría de balance térmico, la camisa de enfriamiento/calentamiento controla la temperatura del proceso. El calor se mide monitorizando el calor ganado o perdido por el fluido de transferencia de calor.

${\displaystyle Q=m_{s}C_{ps}(T_{i}-T_{o})}$

dónde:

${\displaystyle Q}$→ es la potencia de calentamiento (o enfriamiento) del proceso (W)

${\displaystyle m_{s}}$→ es el flujo másico del fluido de transferencia de calor (kg/s)

${\displaystyle C_{ps}}$→ es el calor específico del fluido de transferencia de calor (J/(kg K))

${\displaystyle T_{i}}$→ es la temperatura de entrada del fluido de transferencia de calor (K)

${\displaystyle T_{o}}$→ es la temperatura de salida del fluido de transferencia de calor (K)

La calorimetría de balance térmico se considera un método eficaz para medir el calor, ya que implica cuantificar el calor que entra y sale del sistema a través de la camisa de calentamiento/enfriamiento utilizando el fluido de transferencia de calor, cuyas propiedades son bien conocidas.

Este método mide eficazmente la pérdida o ganancia de calor, evitando muchos problemas de calibración asociados con la calorimetría de compensación de flujo de calor y potencia. Sin embargo, es menos eficaz en recipientes discontinuos tradicionales, donde los cambios de temperatura significativos en la camisa de enfriamiento/calentamiento pueden enmascarar la señal térmica del proceso. ^{[ 1 ]}

La calorimetría de compensación de potencia es una variación de la técnica de flujo de calor. Este método utiliza una camisa de enfriamiento que opera a flujo y temperatura constantes. La temperatura del proceso se regula ajustando la potencia de un calentador eléctrico. Al inicio del experimento, la potencia eléctrica de calentamiento y enfriamiento se equilibran. A medida que cambia la carga térmica del proceso, la potencia eléctrica se ajusta para mantener la temperatura deseada. ^{[ 2 ]} El calor liberado o absorbido por el proceso se determina a partir de la diferencia entre la potencia eléctrica inicial y la potencia eléctrica requerida en el momento de la medición. Si bien la calorimetría de compensación de potencia requiere menos preparación que la calorimetría de flujo de calor, presenta limitaciones similares. Los cambios en la composición del producto, el nivel del líquido, la temperatura del proceso, la agitación o la viscosidad pueden afectar la calibración del instrumento. Además, la presencia de un elemento calefactor eléctrico no es óptima para las operaciones del proceso. Otra limitación de este método es que el calor máximo que puede medir es igual a la potencia eléctrica inicial aplicada al calentador. ^{[ 3 ]}

${\displaystyle Q=IV\,\,\,\,\,\mathrm {o} \,\,\,\,\,\,(I-I_{0})V}$

dónde:

${\displaystyle I}$es la corriente suministrada al calentador

${\displaystyle V}$es el voltaje suministrado al calentador

${\displaystyle I_{0}}$es la corriente suministrada al calentador en equilibrio (suponiendo voltaje/resistencia constantes)

Las camisas de calentamiento y enfriamiento de flujo constante utilizan camisas de enfriamiento de geometría variable y pueden operar con camisas de enfriamiento a una temperatura prácticamente constante. Estos calorímetros de reacción son más sencillos de usar y toleran mucho mejor los cambios en las condiciones del proceso. ^{[ 4 ]}

La calorimetría de flujo constante es un mecanismo avanzado de control de temperatura que se utiliza para generar calorimetría precisa. Funciona controlando la superficie de la camisa de un reactor de laboratorio mientras se mantiene una temperatura de entrada constante del fluido térmico . Este método permite un control preciso de la temperatura, incluso durante eventos fuertemente exotérmicos o endotérmicos, ya que se puede lograr un enfriamiento adicional aumentando la superficie sobre la cual se intercambia el calor.

Este sistema suele ser más preciso que la calorimetría de balance térmico, ya que los cambios en la diferencia de temperatura (T _salida - T _entrada ) se magnifican al mantener el flujo de fluido lo más bajo posible.

Una de las principales ventajas de la calorimetría de flujo constante es la capacidad de medir dinámicamente el coeficiente de transferencia de calor (U). Según la ecuación de balance de calor:

${\displaystyle Q=m_{f}\;C_{p}\;(T_{in}-T_{out})}$

De la ecuación de flujo de calor que

${\displaystyle Q=U\;A\;LMTD}$

Estas ecuaciones se pueden reorganizar para obtener:

${\displaystyle U={\frac {m_{f}\;C_{p}\;(T_{in}-T_{out})}{A\;LMTD}}}$

Esto permite monitorizar U en función del tiempo.