Studio dell'affidabilità e accuratezza di procedure di calibrazione in calorimetri a celle Peltier

This thesis work aims to propose a calibration algorithm which can be used in Peltier cell calorimetric reactors in order to obtain values of global heat transfer coefficients and heat capacity of the reacting mixture directly scalable and / or usable at the industrial scale. In particular, some changes to the current calibration procedure proposed in the common management software of Peltier cell calorimeters have been proposed in order to make the calibration procedure more accurate and reliable for the purpose of using the calibration data for safety purposes. Validation of the proposed procedure was achieved by studying the mixing process of water and sulfuric acid. This thesis is also part of the more general context of process intensification, as the use of calorimetric mini-reactors with Peltier cells could represent a valid alternative to the use of tubular microreactors in order to carry out cryogenic synthesis of drugs and active ingredients which, due to the heterogeneous nature of the reaction mixture, can be carried out exclusively in reactors having a very high mixing and heat exchange efficiency. In this context, the development of correct calibration procedures is of crucial importance. In order to fully characterize the Peltier cell calorimetric system, the thermal balance equations governing the system have been implemented in an appropriate Matlab code, simulating the response of the instrument during the calibration phase, in which the waiting times, heat fluxes and temperature ramp intensity have been varied. A series of validation tests were then performed within Peltier cell calorimeters using an isothermal temperature control mode (batch system). The results of this study showed an excellent agreement between simulation model and experimental data and, they also made possible to identify the optimal times and temperature ramps to conduct a calibration in Peltier cell calorimeters.

Questo lavoro di tesi si propone di realizzare un algoritmo di calibrazione utilizzabile in reattori calorimetrici a celle Peltier al fine di ricavare valori di coefficienti globali di scambio termico e capacità termica di miscela direttamente scalabili e/o impiegabili alla scala industriale. In particolare, si sono proposte alcune modifiche all’attuale procedura di calibrazione proposta nei comuni software di gestione dei calorimetri a celle Peltier al fine di rendere la procedura di calibrazione più accurata ed affidabile ai fini di un utilizzo dei dati di calibrazione per scopi di sicurezza di processo. La convalida della procedura proposta è stata ottenuta studiando il processo di miscelazione di acqua e acido solforico. Questa tesi si inserisce inoltre nel contesto più generale dell’intensificazione di processo, in quanto l’utilizzo di mini-reattori calorimetrici a celle Peltier potrebbe rappresentare una valida alternativa all’impiego di microreattori tubolari al fine di realizzare sintesi criogeniche di farmaci e principi attivi che, per natura eterogenea della miscela di reazione, non potrebbero che essere condotti in reattori aventi un’elevatissima efficienza di miscelazione e scambio termico. In questo contesto lo sviluppo di corrette procedure di calibrazione è di importanza cruciale. Al fine di caratterizzare in modo completo il sistema calorimetrico a celle Peltier sono state implementate, in un opportuno codice Matlab, le equazioni di bilancio termico che governano il sistema, simulando la risposta dello strumento durante la fase di calibrazione, in cui sono stati fatti variare i tempi di attesa, somministrazione di calore e intensità di rampa di temperatura. Sono quindi state fatte una serie di prove di convalida entro calorimetri a celle Peltier utilizzando una modalità di controllo della temperatura isoterma (sistema batch). I risultati di questo studio hanno mostrato un ottimo accordo tra modello di simulazione e dati sperimentali ed hanno altresì permesso di individuare i tempi e le rampe di temperatura ottimali per condurre una calibrazione in calorimetri a celle Peltier.