Prendiamo il caso tipico di un reattore per produzione di un principio attivo farmaceutico. Partendo dalla temperatura ambiente, il prodotto va riscaldato e quindi mantenuto a una certa temperatura. Sarà poi necessario a un certo punto raffreddarlo, e poi magari nuovamente riscaldato e così via.

In genere vengono usati reattori incamiciati con semitubo o con camicia di scambio termico. Un fluido caldo o freddo viene fatto circolare all’interno della camicia, a seconda del livello di temperatura richiesto per il prodotto all’interno del reattore.

In passato, ma ancora oggi, a seconda del ciclo termico si faceva passare un fluido caldo all’interno della camicia per riscaldare, vapore o olio diatermico ad esempio. Quando poi si doveva raffreddare, si scaricava completamente il vapore e la condensa per poi far passare nella stessa camicia acqua refrigerata o acqua con antigelo. Tutte queste operazioni di riempimento e svuotamento richiedono naturalmente tempo, e possono rallentare la produttività. Inoltre, questa soluzione offre un controllo della temperatura solo relativamente preciso e accurato.

Negli anni si è quindi sviluppata la tecnologia monofluido. Questa impiega in pratica gli stessi fluidi come utility – vapore, olio diatermico, acqua calda, acqua refrigerata e acqua con antigelo -, che lavorano però su una batteria di scambiatori. All’interno degli scambiatori circola un unico fluido in grado di sopportare il range di temperatura richiesto dall’intero processo di termoregolazione.

Questo fluido viene quindi fatto circolare all’interno della camicia del reattore. I vantaggi sono evidenti: eliminazione dei tempi morti, dovuti alle operazioni di svuotamento e caricamento dei diversi fluidi, e soprattutto si evita il rischio di miscelazione dei fluidi in caso di errori in queste operazioni. Ovvero, avere acqua glicolata che finisce nella caldaia, o condensa che entra nel chiller, diluendo l’acqua con antigelo esponendo al rischio di congelamento.

Notevoli sono i vantaggi, cui chiaramente si accompagna qualche svantaggio. Si perde infatti qualcosa in termini di scambio termico, in quanto servono utilities a temperatura un poco più alta o più bassa del fluido che scorre nella camicia. Dal punto di vista operativo i vantaggi sono però tali da farne una soluzione largamente adottata. Infine, non c’è paragone sotto il profilo del controllo della temperatura che si riesce a ottenere: si può agire con valvole modulanti o con un sistema di valvole bypass o di regolazione che consente di avere un livello di controllo della temperatura estremamente fine.

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Si tratta di una applicazione in ambito chimico, per la termostatazione di piccoli reattori da laboratorio. Solitamente per queste applicazioni utilizziamo scambiatori a piastre, in questo caso per via di alcune particolari necessità abbiamo virato su soluzioni a fascio tubiero.

Infatti in un caso specifico, il cliente aveva necessità di far passare il fluido di processo all’interno dello scambiatore, che per implicazioni di resistenza alla corrosione, deve essere necessariamente realizzato in titanio. Al contempo non esistono i presupposti per la funzionale resistenza chimica delle guarnizioni. Le dimensioni dello scambiatore sono talmente ridotte che una soluzione “all welded” sarebbe estremamente costosa, quindi abbiamo realizzato dei piccoli scambiatori a fascio tubiero in titanio.

Analogamente per la sezione di raffreddamento, si dispone di acqua moderatamente fredda, e volendo raggiungere un livello di temperatura simile, nella camicia del reattore, abbiamo realizzato uno scambiatore a fascio tubiero molto particolare, che consenta di ottenere le temperature richieste, nonostante le portate in gioco molto ridotte.

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Questa necessità sorge per differenti motivi, alcuni dei quali possono essere semplicemente:

• conservazione
• approntamento all’uso
• preparazione per successive lavorazioni
• cambiamento di stato (fermentazione, maturazione)

Per mantenere costante la temperatura, si utilizzano centraline di termostatazione o di termoregolazione, con fluidi di servizio di tipo diverso a seconda dei livelli di temperatura che vanno mantenuti.

In questa sede non intendo analizzare le apparecchiature che effettuano la regolazione della temperatura, ma uno dei vari modi che si mettono in pratica per ottenere questo risultato.

Infatti mediamente si possono utilizzare due sistemi:

1. termoregolare direttamente il fluido interno al serbatoio, facendolo scorrere in uno scambiatore o in una centralina di termoregolazione
2. termoregolare la temperatura di una camicia o di uno scambiatore immerso nel serbatoio.

Il primo sistema, molto efficiente, non è sempre percorribile, sia per la natura del fluido, che per praticità, soprattutto quando ci si trova di fronte a grandi quantità di prodotto, con caratteristiche fisiche, “non proprio semplici” (viscosità elevata…)

Il secondo sistema, se da un lato paga una efficienza termica inferiore, risulta molto più facile da applicare.

Una soluzione abbastanza consueta è quella di creare serbatoi con intercapedini, dove far scorrere il fluido caldo o freddo, per ottenere la temperatura richiesta. Tali intercapedini vengono solitamente realizzate con semitubo saldato sulla virola del serbatoio, oppure realizzando un serbatoio a doppia incamiciatura.

Entrambe sono soluzioni piuttosto costose, che possono essere sostituite dalla realizzazione della virola e del fondo, con scambiatori della serie TCOIL.

Nelle fotografie che seguono, si può facilmente capire cosa intendo:

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