Reaktions-Kalorimeter

Hallo, mein Name ist Dom Hebro, und ich bin hier, um Ihnen dabei zu helfen, aus den Informationen und Daten, die Sie von Mettler-Toledo-Instrumenten erhalten, möglichst viel Wissen zu gewinnen. Viele Leute fragen mich, wie sie einen Prozess auf Laborwaage-Ebene kennzeichnen können, bevor sie ihn auf eine Anlagenskala übertragen. Hier habe ich ein Beispiel aufgegriffen, auf das ich kürzlich gestoßen bin, und wir werden uns drei prozesssicherheitsrelevante Parameter ansehen, die bei einer frühen Sicherheitsbewertung für die Umsetzung im größeren Maßstab entscheidend sind. Der erste ist festzustellen, wann Sie eine hohe momentane Wärmefreisetzung haben. Wenn sie im großen Maßstab nicht ordnungsgemäß kontrolliert oder überprüft wird, kann der chemische Prozess außer Kontrolle geraten. Zweitens werden wir ein Beispiel definieren und untersuchen, bei dem eine verzögerte Initiierung aus Sicherheitssicht problematisch sein kann, aber auch, weil sie zu einem Produkt von schlechter Qualität führen kann. Schließlich werden wir uns mit Wärmeakkumulation befassen, sie zunächst definieren und dann sehen, wie der daraus resultierende Temperaturanstieg tatsächlich dazu führen kann, dass Sie bei einer Umsetzung im größeren Maßstab das Risiko einer unkontrollierten Exothermie eingehen. Gut, hier ist die Chemie. Es handelt sich um eine zweistufige Chemie, bei der zunächst eine doppelte Deprotonierung mit einer starken Base, Hexyllithium, erfolgt und der zweite Schritt vom entstehenden Anion zu Benzylalkohol unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel führt. Für die Studie verwenden wir einen easy max für die genaue und automatisierte Steuerung der Reaktionsvariablen. Wir verwenden das Kalorimetrie-Kit, ein Zusatzmodul für den easy max, sowie die für den Betrieb der Kalorimetrie erforderliche Softwareoberfläche. Die Software ist iControl. Gut, jetzt wechsle ich zur iControl-Softwareseite, um Ihnen zu zeigen, wie Sie die Ergebnisse interpretieren. Gut, in Violett sehen Sie die Wärme, die Sie auf der linken Achse ablesen können. In Grün sehen Sie das Dosierprofil der starken Base Hexyllithium, das Sie auf der rechten Seite des Bildschirms ablesen können. Und das Volumen steigt von null auf etwa 45 Milliliter Base zur Zugabemischung. Auf der linken Seite können Sie also den ersten Deprotonierungsschritt betrachten, ein Äquivalent Hexyllithium. Wenn ich mir das ansehe, komme ich zu dem Schluss, dass die Reaktion dosierkontrolliert ist, weil die Reaktionswärme direkt nach Beginn der Dosierung auf ein maximales, stabiles Niveau ansteigt. Sie bleibt mit einer konstanten Rate auf diesem Niveau, was bedeutet, dass die Reaktion mit konstanter Geschwindigkeit abläuft, und wenn die Spritze aufhört zu dosieren, weil sie nachgefüllt werden muss, fällt das Wärmeprofil wieder auf null zurück. Die Spritze wird nachgefüllt und beginnt dann, das zweite Äquivalent Base zu dosieren, und Sie können eine zweite Rechteckwelle sehen, bei der die Energiemenge tatsächlich etwa halb so groß ist wie bei der ersten Deprotonierung. Das sehen Sie, wenn Sie das momentane Wärmeprofil betrachten: 2,53 Watt Energie gegenüber 5,5, und die Gesamtwärme betrug etwa 9 Kilojoule bzw. etwa 4 Kilojoule in einem zweiten Deprotonierungsschritt. Gut, obwohl die Reaktion ziemlich exotherm ist, kann sie durch die Dosiergeschwindigkeit äußerst gut kontrolliert werden. Jetzt möchte ich Ihnen den zweiten Schritt zeigen, der für meine Umsetzung im größeren Maßstab deutlich kniffliger ist. Ich spreche von der Sauerstoffoxidation des entstehenden Anions zu Benzylalkohol. An diesem Punkt wurde Sauerstoff in das Gefäß eingeleitet, und Sie können sehen, wie die Wärme von null auf etwa, ich würde sagen, drei, vier Watt über etwa 10 bis 15 Minuten ansteigt. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt im Labor gewesen wären, könnten Sie zu dem Schluss kommen, dass die Reaktion praktisch ereignislos ist und sich gut verhält. Und wenn Sie das Labor verlassen hätten, könnten Sie den enormen Temperatur- und plötzlichen Energieanstieg verpassen, der bei einem Ansatz von 100 Millilitern auf etwa 60 Watt ansteigt, was auf Litermaßstab etwa 650 Watt oder 600 Watt entspricht. Also wirklich eine Energiemenge, die sich im Maßstab jenseits von ein paar Litern, vielleicht Laborwaage, nicht umsetzen lässt. Also etwas, das Sie unbedingt erkennen müssen, bevor Sie irgendeine sichere Skalierung in Betracht ziehen. Richtig? Es ist ein plötzlicher Energieanstieg, der nach nur wenigen Minuten wieder auf null zurückgeht. Also sehr abrupt. Okay? Ich hoffe, Sie fanden dieses Beispiel nützlich. Und zum Schluss möchte ich Ihnen noch ein paar Literaturhinweise geben, einen aus dem Jahr 2010, den ersten, in dem Sie eine Anwendung von EZMax für eine frühe Wärmescreening-Untersuchung finden. Das zweite Beispiel betrifft den RC1 für die Bewertung der Prozesssicherheit und seine typische Verwendung. Ich gebe Ihnen einen Weblink zur Seite, auf der Sie weitere Informationen zur Kalorimetrie im Allgemeinen finden, aber auch Informationen zu EasyMax, OptiMax und dem RC1 sowie schließlich den Link zum Autochem-Blog. Vielen Dank.