Verhindern Sie unkontrollierte chemische Reaktionen

Durch die Analyse der Reaktionsdynamiken können Wissenschaftler Runaway-Szenarien simulieren und den idealen Reaktionsablauf festlegen. Das Messen, Berechnen und Verstehen der folgenden Parameter ist unerlässlich, um Risiken eines chemischen Prozesses zu bewerten und zu verhindern. So können Wissenschaftler sichere Vorhersagen über Temperatur- und Dosierprofile, Konzentrationen oder die maximale Betriebstemperatur machen. Vom Standpunkt der Thermochemie aus betrachtet sind folgende Informationen am wichtigsten:

1. Akkumulation
2. Adiabatischer Temperaturanstieg
3. Wärmekapazität
4. Reaktionsenthalpie
5. Wärmeerzeugungsrate/Reaktionswärme
6. MTSR (Höchsttemperatur einer Synthesereaktion)
7. Gewünschte Reaktion, Unerwünschte Reaktion, Zersetzung, Thermisches Durchgehen

Mit Akkumulation ist in der Regel gemeint, dass Material entweder während einer Semi-Batch-Reaktion dosiert wird und nicht sofort reagiert, oder dass Energie sich anstaut, da die Wärmeerzeugung grösser als die Wärmeabfuhrkapazität ist.

Wenn die Konzentration des nicht umgesetzten Rohmaterials zunimmt/akkumuliert, stellt dies eine Gefahr im Fall eines Kühlausfalls dar. Dies kann mithilfe eines Reaktionskalorimeters gemessen werden, indem die Geschwindigkeit ermittelt wird, bei der Wärme erzeugt wird und diese mit der Geschwindigkeit der Zugabe verglichen wird. Es ist auch möglich, eineIn-situ-FTIR-Spektroskopie zu nutzen, um die Konzentration des ungebundenen Reagenz direkt zu messen.

Die thermische Akkumulation beschreibt die Variation der Energiegehalte eines Systems und entsteht, wenn die Wärmeerzeugung grösser als die Wärmeabfuhrkapazität ist, was zu einer Temperaturänderung führt. Durch die Messung der Wärmekapazität und der Temperaturänderung mit einem Reaktionskalorimeter können die thermische Akkumulation sowie die Abweichung von der wahren Reaktionswärme berechnet werden.

Der adiabatische Temperaturanstieg ist eine Eigenschaft, die für eine beliebige Reaktion berechnet wird, um den potentiellen Schweregrad eines Kühlausfalls oder einer anderen Systemstörung anzugeben. Sie hängt von der Gesamtmenge an freigegebener Energie (Reaktionsenthalpie), der Gesamtmasse der Reaktionsmischung und der spezifischen Wärmekapazität des Systems ab. Es muss unbedingt bekannt sein, ob  sie die Reaktionsmischung auf eine Temperatur bringen kann, bei der eine sekundäre Reaktion oder eine Zersetzungsreaktion auftreten könnte. Der adiabatische Temperaturanstieg lässt sich mithilfe eines Reaktionskalorimeters mühelos berechnen, um Aufschluss über das Worst-Case-Szenario eines Temperaturanstiegs zu geben. Ausgefeiltere Berechnungen, z. B. solche, die mit iC Safety durchgeführt werden, können zugehörige Parameter wie die Höchsttemperatur einer Synthesereaktion (MTSR) ableiten, die ein nützlicherer Parameter für Scale-up-Studien darstellt.

Die Wärmekapazität oder spezifische Wärmekapazität eines Materials beschreibt die Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von einem Kilogramm Material um einen Grad Celsius zu erhöhen. Die Standardeinheit der Wärmekapazität ist daher kJ/kg.K-1. Diese Eigenschaft spielt eine direkte Rolle für die Berechnung der akkumulierten Wärme, des adiabatischen Temperaturanstiegs und der MTSR. Da sie je nach Art des Behälterinhaltes schwankt, muss in einem Versuch die Wärmekapazität der Mischung als Teil der Prozesssicherheitsstudie bestimmt werden. Dadurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass solche Daten in der Regel gerne von Ingenieuren genutzt werden, die am Scale-up arbeiten. Sie vereinfachen nämlich die Berechnung der Gesamtenergiebilanz des Prozesses.

Die Reaktionsenthalpie einer chemischen Reaktion ist die Enthalpieänderung, die auftritt, wenn Stoffe durch eine chemische Reaktion umgewandelt werden. Sie verrät dem Wissenschaftler, wie viel Energie insgesamt bei einem Prozess entsteht, und wird mithilfe eines Reaktionskalorimeters gemessen. Die Reaktionsenthalpie der Reaktion errechnet sich aus dem Integral der Reaktionswärme über die Zeit.

Die Wärmeerzeugungsrate oder Reaktionswärme hängt mit der Gesamtenthalpie der Reaktion zusammen, berücksichtigt aber, wie die Energie in Abhängigkeit von der Zeit freigegeben wird. Dies ist von grundlegender Bedeutung, denn auch wenn die Gesamtenthalpie der Reaktion eventuell nicht wichtig ist, kann doch die Geschwindigkeit, bei der Energie freigegeben wird, den Unterschied zwischen einem sicheren und einem gefährlichen Prozess ausmachen.

Die Reaktionswärme stellt wesentliche Informationen über den Beginn und das Ende der Reaktion, die mögliche Akkumulation von Reaktanten, die maximale Wärmeentwicklung, die Reaktionskinetik sowie die erforderliche Kühlkapazität und Kinetik des Reaktors bereit. Die Rate, bei der Wärme erzeugt wird, wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Dazu zählen Temperatur, Dosierrate, Konzentration, Kinetik und Mischen. 

Zur Bestimmung der Reaktionswärme muss die gesamte Wärmeflussbilanz bekannt sein, einschliesslich der Energiemenge, die durch die Reaktorwand fliesst (qflow), der Energiemenge, die bei der Dosierung hinzugefügt/verbraucht werden kann (qdos), und der Energiemenge, die durch den Temperaturanstieg akkumuliert wird (qaccu). Ihr Integralwert stellt die Reaktionsenthalpie dar.

Die Höchsttemperatur einer Synthesereaktion (MTSR – Maximum Temperature of the Synthesis Reaction) ist eine der Eckpfeiler der Prozesssicherheit eines Semi-Batch-Reaktors. Sie beschreibt die Temperaturentwicklung nach einem Kühlausfall, die sich durch die Menge an nicht umgesetzten Material ergibt, das zum Zeitpunkt des Kühlausfalls vorhanden war. Beginnend mit der Prozesstemperatur wird die Berechnung der MTSR dynamisch durchgeführt, um die höchste Temperatur zu bestimmen, die das Reaktionsgemisch erreichen wird, unter der Annahme, dass die gesamte Reaktionsenergie im Reaktor verbleibt (d. H. Das System ist adiabatisch oder wird adiabatisch). Das Reaktionskalorimeter ist ein wichtiges Instrument für die Messung der Reaktionswärme, der Akkumulation von Reagenzien und der MTSR. Es muss beachtet werden, dass diese Eigenschaft nur die gewünschte (Synthese) Reaktion betrifft. Weitere Verfahren (Dynamische Differenzkalorimetrie – DSC) sind notwendig, um die Auswirkungen von nachfolgenden sekundären Reaktionen oder Zersetzungsreaktionen zu verstehen.

Ein thermisches Durchgehen oder eine thermische Explosion kann die Folge eines adiabatischen Prozesses einer Reaktion oder einer Reihe von Reaktionen sein. Sie tritt ein, wenn die durch eine exotherme Reaktion erzeugte Wärme akkumuliert wird, was zu einem Temperaturanstieg der Reaktionsmischung führt. Anschliessend nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, was eine höhere Wärmeerzeugungsrate zur Folge hat.

Der Temperaturanstieg kann sekundäre Reaktionen auslösen, wie etwa die Zersetzung der Reaktionsmasse, der Zwischenprodukte oder des Endprodukt. Dies führt wiederum zu einem thermischen Runaway. Mithilfe gründlicher Prozesssicherheitsstudien im Labormassstab können die Bedingungen, die zu einem thermischen Runaway führen, identifiziert und verhindert werden, bevor der Prozess skaliert wird.

Die Analyse der gewünschten und potentiell unerwünschten Reaktionen ist von äusserster Wichtigkeit. Während unerwünschte Reaktionen mithilfe von adiabatischen Kalorimetern, Dewargefässen oder DSC untersucht werden, werden erwünschte Reaktionen in der Regel mit einem Reaktionskalorimeter analysiert.

Mit dem Reaktionskalorimeter können Schlüsselfaktoren bestimmt werden, wie z. B. Reaktionswärme, Akkumulation, adiabatischer Temperaturanstieg und MTSR, um die Folgen eines Kühlausfalls zu verstehen. Es wird verwendet, um zu bestimmen, ob die gewünschte Synthesereaktion dazu führen kann, dass der Prozess instabil wird, was eine sekundäre Reaktion zur Folge hätte.

In den meisten Fällen wird bei der sekundären Reaktion mehr Energie bei höherer Geschwindigkeit freigesetzt als bei der gewünschten Reaktion. Die Produktionsanlage ist dann nicht in der Lage, diese Energie auf sichere Art abzuführen. Aus diesem Grund muss die Reaktion so gestaltet werden, dass keine potentiell gefährlichen Bedingungen eintreten können. Oder es müssen geeignete Massnahmen festgelegt werden, um sicherzustellen, dass der Prozess jederzeit unter Kontrolle bleibt.

Reaktionskalorimeter bestimmen mit hoher Genauigkeit eine Reihe von sicherheitsrelevanten Parametern. Die Nutzung von speziell darauf ausgelegten Systemen ist entscheidend, um präzise, hochwertige kalorimetrische Daten zu erhalten.

Thermostate von METTLER TOLEDO sind mit einzigartigen Sofortkühlungsmechanismen ausgestattet, sodass sie eine schnelle Reaktionszeit und genaue Regelung bieten. Damit sind die besten und sichersten Arbeitsbedingungen garantiert.

Durch die Verwendung zweckbestimmter Ausrüstung zusammen mit modernster, benutzerfreundlicher Software ist sichergestellt, dass Parameter (z. B. spezifische Wärme, Wärmeaustausch, wahre Reaktionswärme sowie Akkumulation von Produkt und Wärme) während der gesamten chemischen Reaktion genau berechnet werden. So erhalten Chemieingenieure wichtige Daten für die Prozesssicherheit und das Scale-up.