Esse conteúdo abordará:
- Para fazer um scale up, basta aumentar as quantidades de reagentes proporcionalmente?
- Quais as diferenças de uma reação que ocorre numa bancada laboratorial e uma que ocorre num reator, por exemplo?
- Quais informações são necessárias para realizar o scale up?
Antes de começarmos a aumentar a escala da produção de algum produto, precisamos ter vários dados de uma etapa anterior e muito importante: a etapa laboratorial.
Essa etapa, geralmente, não é a maior barreira para tornar uma produção de bancada em uma produção em larga escala. Afinal, a literatura cobre uma grande quantidade de informações sobre os mais diversos tipos de reação.
Entretanto, se o assunto é fazer um scale up (aumento de escala) de sua produção, será que apenas aumentar as quantidades de reagentes proporcionalmente é o suficiente?
Scale up
Essa é uma dúvida muito comum, mas a resposta é contraintuitiva para quem não tem conhecimentos avançados em engenharia.
A mudança no tamanho do sistema (laboratorial para planta piloto) ocasiona também uma mudança na área superficial para troca de massa. Não só isso, como os regimes de escoamento podem mudar de laminar para turbulento.
Tais mudanças fazem com que a cinética da reação, a fluidodinâmica e as propriedades termodinâmicas variem de forma não linear.
Por exemplo, uma reação química se processa com uma certa quantidade do reagente A, e certa quantidade do reagente B. Essa reação libera uma certa quantidade de calor e produz o composto C.
Se aumentássemos linearmente a produção, aumentando em 500 vezes a quantidade de reagentes, então deveríamos produzir 500 vezes mais produtos, e seria liberado 500 vezes mais calor.
Porém, isso não acontece. Muitas coisas mudam quando aumentamos a escala da reação. Um tanque 500 vezes maior que um béquer tem uma relação mássica entre os reagentes completamente diferente.
Por exemplo, proporção de reagente que entra em contato com o recipiente do tanque/béquer é completamente diferente. No tanque, a maior parte do conteúdo não entra em contato com as paredes. Isso por si só afeta grandemente como a reação se opera.
Há também variação de fatores já citados, como fatores termodinâmicos, cinéticos e mecânicos, de modo que, no fim, diferentes quantidades dos compostos A e B seriam necessários para produzir C.
Informações necessárias para aumentar a escala da sua produção
Existem três importantes tópicos a serem entendidos quando estudamos uma reação:
Estudos da reação
Devemos entender algumas coisas quando estudamos uma reação. Precisamos saber taxas de reações químicas, o comportamento termodinâmico e o equilíbrio da reação.
O entendimento desses parâmetros permite que você conheça a maneira mais eficiente de fazer alguma reação química. Assim, torna-se muito mais fácil determinar a quantidade de reagente utilizada, e outros parâmetros de processo.
Talvez esse fator não seja tão importante em escala laboratorial, mas quando aumentamos a produção, começa a ser crítico na obtenção de melhores resultados.
Importante destacar que um estudo detalhado da reação torna-se indispensável na hora de escolher reatores, e suas especificações. Estas podem ser o gasto de energia e potência além de possibilitar um maior controle da formação de produtos muitas vezes indesejados.
Estudo de escoamento e agitação
O entendimento do escoamento é crucial no dimensionamento do processo. Portanto, é necessário controlar o número de Reynolds, que impacta na eficiência da mistura e na transferência de calor.
Já a agitação é necessária para maximizar a troca térmica, e melhorar a cinética da reação, o que pode ser feito por meio de agitadores com pás inclinadas.
Estudo de equipamento
Tendo compreendido o que interfere na reação e na formação de produto, nos resta escolher os equipamentos a serem utilizados, incluindo reatores, tubulações, bombas, agitadores, e quaisquer outros necessários. Deve-se atentar também aos materiais utilizados nesses equipamentos, evitando corrosão, perda de eficiência no aquecimento e/ou escoamento dos fluidos.
Saiba mais
O scale up não é fácil! Como explicamos ao longo desse post, você deve ter percebido que é necessário ter um bom conhecimento de engenharia e do seu processo.
Existem modelagens matemáticas semi-empíricas e empíricas que podem auxiliá-lo na hora de descobrir limitações no seu projeto, e como contorná-los, além de ser possível utilizar softwares como ICEM 19.2, COCO Simulator, Scilab, e Aspen.
Além disso, um outro fator importante a ser considerado quando o assunto é scale up é a viabilidade econômica atrelada a esse novo processo produtivo, quando pensado em escala industrial. Nesse sentido, um dos serviços realizados pela Propeq é a análise de viabilidade econômica para esse e outros contextos industriais. Quer saber mais? Entre em contato conosco.
