Evite Reações Químicas com Descontrole

A análise da dinâmica da reação permite que os cientistas modelem cenários de reação em descontrole e estabeleçam o procedimento de reação ideal. Medir, calcular e entender os parâmetros abaixo é essencial para avaliar e evitar riscos em um processo químico. Isso permite que os cientistas façam previsões sobre temperatura e perfis de dosagem, concentrações ou temperatura máxima de operação. Do ponto de vista da termoquímica, as informações-chave são:

1. Acumulação
2. Aumento da Temperatura Adiabática
3. Capacidade Térmica
4. Entalpia da Reação
5. Taxa de Produção de Calor/Calor de Reação
6. MTSR (Temperatura Máxima da Reação de Síntese)
7. Reação Desejada, Reação Indesejada , Decomposição, Descontrole Térmico

A acumulação geralmente se refere ao material sendo dosado durante uma reação em semibatelada, que não reage imediatamente, ou energia que é acumulada porque a produção de calor é maior que a capacidade de remoção de calor.

Se a concentração de matéria-prima que não reagiu é acumulada, isso se torna perigoso caso o resfriamento falhe. Isso pode ser medido usando um Calorímetro de Reação, determinando a taxa na qual o calor é gerado, comparado com a taxa da adição. Também é possível usara Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier in situ para medir diretamente a concentração do reagente que não reagiu.

A acumulação térmica descreve a variação do conteúdo de energia de um sistema e é causada pela produção de calor sendo maior do que a capacidade de remoção de calor, resultando em uma mudança de temperatura. A medição da capacidade térmica e da mudança de temperatura por um calorímetro de reação permite o cálculo da acumulação térmica e a derivação do verdadeiro calor da reação.

O Aumento da Temperatura Adiabática é uma propriedade que é calculada para qualquer reação para indicar a gravidade potencial de uma falha de resfriamento ou outra perturbação do processo. Depende da quantidade total de energia liberada (entalpia de reação), da massa total da mistura de reação e da capacidade específica de calor do sistema. É de extrema importância para saber se  isso poderia levar a mistura de reação a uma temperatura onde uma reação secundária ou reação de decomposição possa ocorrer. O aumento da temperatura adiabática é facilmente calculado usando um Calorímetro de Reação para fornecer uma indicação simples do “pior caso” de aumento de temperatura. Cálculos mais sofisticados, como os realizados pela iC Safety, podem deduzir parâmetros relacionados, como o MTSR (Temperatura Máxima da Reação de Síntese), que é um parâmetro mais útil para estudos de aumento de escala.

Capacidade Térmica ou Capacidade Térmica Específica de um material descreve a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um quilograma do material em um grau Celsius. A unidade-padrão da capacidade térmica é, portanto, kJ/kg.K-1. Essa propriedade desempenha uma função direta no cálculo do Calor Acumulado, do Aumento da Temperatura Adiabática e da MTSR. Uma vez que isso varia de acordo com a natureza do conteúdo do reator, é necessário determinar experimentalmente a capacidade de calor da mistura como parte do estudo de segurança do processo. Isso confere o benefício adicional de que tais dados são geralmente bem-vindos pelos engenheiros que trabalham com o aumento de escala, já que isso ajuda a calcular o balanço energético geral do processo.

A entalpia de reação de uma reação química é a mudança de entalpia que ocorre quando as substâncias são transformadas por uma reação química. Ela informa ao cientista quanta energia é desenvolvida a partir de um processo no total e é medida usando um Calorímetro de Reação. A entalpia de reação da reação é calculada integrando o calor da tendência da reação ao longo do tempo.

A velocidade de produção de calor ou calor de reação está relacionada à entalpia geral da reação, mas considera como a energia é liberada em função do tempo. Isso é de fundamental importância, porque a entalpia total da reação pode não ser crítica, mas a taxa na qual essa energia é liberada pode ser a diferença entre um processo seguro e um perigoso.

O calor da reação fornece informações vitais sobre o início e o fim da reação, a possível acumulação de reagentes, a máxima evolução do calor, a cinética da reação e a capacidade e a cinética de resfriamento do reator. A taxa na qual o calor é produzido é influenciada por vários fatores, incluindo temperatura, taxa de dosagem, concentração, cinética e mistura. 

A determinação do calor de reação requer o conhecimento do balanço global de fluxo de calor, incluindo a quantidade de energia que flui através da parede do reator (qflow), a quantidade que pode ser adicionada/consumida durante a dosagem (qdos) e a quantidade que é acumulada devido ao aumento de temperatura (qaccu). Seu valor integral representa a entalpia da reação.

A Temperatura Máxima da Reação Sintética (MTSR) é um dos pilares da Segurança do Processo para um Reator em Semibatelada. Ela descreve a evolução da temperatura após uma falha de resfriamento devido à quantidade de material não reagido que estava presente no momento da falha de resfriamento. Iniciando com a temperatura do processo, o cálculo da MTSR é realizado dinamicamente para determinar a temperatura mais alta que a mistura de reação atingirá, presumindo que toda a energia da reação permanece no reator (ou seja, o sistema é ou se torna adiabático). O Calorímetro de Reação é uma ferramenta essencial para a medição do calor de reação, a acumulação de reagentes e a MTSR. É importante observar que essa propriedade diz respeito apenas à reação desejada (síntese), e procedimentos adicionais (Calorimetria Exploratória Diferencial, DSC) precisam ser executados para entender os efeitos de quaisquer reações secundárias ou de decomposição subsequentes.

Um descontrole térmico ou explosão térmica pode ser a consequência de um processo adiabático de uma reação ou série de reações. Ocorre quando o calor produzido por uma reação exotérmica é acumulado, levando a um aumento na temperatura da mistura de reação. Subsequentemente, a taxa de reação aumenta levando a um aumento na taxa de geração de calor.

O aumento de temperatura pode desencadear reações secundárias, como a decomposição da massa de reação, os intermediários ou o produto final, levando a um descontrole térmico. Ao realizar estudos de segurança de processo adequados em escala de laboratório, as condições que levam a um descontrole térmico podem ser identificadas e evitadas antes que o processo seja ampliado.

Estudando ambas, as reações desejadas e potencialmente indesejadas são de extrema importância. Enquanto as reações indesejadas são investigadas usando calorímetros adiabáticos, frascos de Dewar, ou DSC, a reação desejada normalmente é estudada com um Calorímetro de Reação.

O Calorímetro de Reação pode ser usado para determinar os principais fatores, como o calor de reação, a acumulação, a elevação de temperatura adiabática e a MTSR, a fim de compreender a consequência de uma falha de refrigeração. De fato, ele é usado para determinar se a reação de síntese desejada poderia tornar o processo instável, levando a uma reação secundária.

Na maioria dos casos, a reação secundária libera mais energia e mais rapidamente do que a reação desejada, com a instalação de produção não sendo capaz de remover com segurança essa energia. Portanto, é necessário projetar a reação de modo que condições potencialmente perigosas não possam ocorrer, ou definir medidas apropriadas para garantir que o processo permaneça sob controle com segurança, sempre.

Calorímetros de Reação determinam uma gama de parâmetros relacionados à segurança com alta precisão. O uso de sistemas projetados para fins específicos é essencial para a entrega de dados calorimétricos precisos e de alta qualidade.

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O uso de um hardware projetado com um propósito, juntamente com um software avançado e fácil de usar, garante que parâmetros como calor específico, transferência de calor, calor real da reação e acumulação de produto e calor sejam calculados com precisão durante toda a reação química. Isso fornece aos engenheiros químicos dados essenciais para a segurança e aumento de escala.