反应量热仪

反应量热仪是科研人员在化学和药物开发中用于测量化学或物理反应放热量或吸热量的工具。

它通常由一个尺寸不等的搅拌罐式反应器组成，在其中对反应物质的温度和所有相关的关键过程参数一同准确监控。

反应量热仪允许在与过程相似的条件下研究化学过程，提供一整套关于过程可放大性和安全性的信息。

根据开发阶段，有可能涉及到不同的附加信息与补充数据（例如：有可能采集IR、HPLC等提供的分析数据，并且将其与热流数据整合）。

反应量热法测量化学反应或物理过程释放的热量，并提供关于反应热化学与动力学的基本信息。

获得的信息对于描述化学反应中不断释放的热量，以及将其从实验室安全转移至工厂至关重要。

反应量热法还可发现反应中的意外行为，并可使任何可放大性问题一目了然且可定量。它还有助于发现与热量和质量传递或混合相关的问题，并可确定特定反应或过程的正确温度、搅拌或加样曲线。然后将获得的信息用于评估过程的风险、可放大性和关键性。

反应量热法数据用于在受控、准确和可重现的环境中表征、优化和了解过程参数，并实现安全放大生产。

热流量热法是确定化学反应或物理过程放热量的最简单、最可靠的方法，所有梅特勒-托利多反应量热法工作站均支持该方法。热流量热法适用于大多数条件，灵敏度高，并且具有出色的重复性。

热流量热法原理基于对整个反应器壁温差的测量，然后通过校准系数将其转化为热流。

校准系数取决于反应器壁的热导性与厚度、反应物质膜的热阻、油膜的热阻和热交换面积，并通过电加热器确定。

热流量热法可小规模和大规模应用，是所有化学过程开发项目、过程放大生产以及化学过程安全性研究的基础。

EasyMax 102 HFCal、EasyMax 402 HFCal与Optimax HFCal是将合成工作站与反应量热仪的优点相结合的小型热流量热仪。这些小型反应量热仪针对过程安全性筛选与放大生产而设计，而且在开发过程早期提供反应信息。

RC1mx反应量热仪是用于在相似过程条件下测量热特性、化学转化与热传递的行业“黄金标准”。RC1mx提供了一种以高性能恒温器为核心的现代化解决方案。RC1mx可以帮助化学家及安全工程师在安全的情况下优化工厂运行过程，同时还可以确定所有关键的运行参数，大规模地降低故障风险。

反应量热仪可以实现大规模高效和安全的过程开发。

随着反应从实验室移至工厂进行放大生产，各种原因可能导致突然出现可放大性问题。在最坏的情况下，未识别的反应风险有可能导致反应失控，进而造成爆炸。热事故通常归因于：

• 缺乏对过程的化学或热化学性的了解
• 无法去除热量
• 混合行为不佳或对其知之甚少
• 人为因素

通过在实验室规模下测定相关数据可以避免事故的发生。实验室作业是在与过程相似的条件下使用反应量热仪进行的，因此结果可以直接应用于大规模操作。

通过反应量热法可以深入了解过程，因此可以正常、可靠地执行所需程序，同时能够达到所需的质量标准。

精确的热流数据对于从实验室到工厂放大必不可少。高性能加热和冷却系统与灵敏的温度测量和控制系统相结合，是获得关于化学过程精确热量信息的先决条件。其中包括关于反应热、总热流平衡、质量和传热以及反应物质比热的详细信息。

化学过程本身的总热流平衡包括各种热效应，例如：热量积聚、反应物或溶剂添加引起的热交换、粘度变化产生的热量、热损耗等。

对于在不断变化的温度条件下进行的反应，热量积聚成为了计算反应热（释放的热量随时间变化）的重要因素。

梅特勒-托利多反应量热仪与iControl软件套件使用复杂的计算算法。这些考虑了反应器壁的动态行为、容器的热容和反应器插件，这些可提供最精确的量热数据。

化学过程的开发与优化需要确定各种不同类型的信息，以便做出正确的决策。通常在线实时采集分析数据，例如：IR、拉曼、粒度分布与浓度等。在研究化学过程时，在线实时采集放热数据毫无疑问是非常有利的。

能够实时扫描放热反应的反应器系统可提供关于反应进度的即时反馈，并允许用户立即采取纠正措施。实时在线热数据通常用于通过调整关键的过程参数控制过程，例如：反应物的添加速率、控制压力、搅拌速度或任何其他过程参数。

通过RTCal反应器，研究人员利用PAT（过程分析技术）工具在线实时跟踪反应。它无需专业知识即可提供有关反应进程的宝贵热量信息。RTCal技术利用内置于反应器中的热通量传感器检测整个反应器壁上的热流。

使用RTCal测量热数据与反应物质的特性或行为无关。因此，在反应之前、期间或之后无需运行校准程序，这很大程度上减少了实验时间。

每当需要将新的或改动过的过程从实验室放大到工厂时，都需要研究可能至关重要或影响过程性能或结果的不同方面。在少数情况下，由于原料昂贵或稀缺，以及存在在大容器内难以控制的条件或者安全隐患，所选择的方式同样无法放大，因此需要改动。这需要研究与规模相关的变量，例如：加样速率、混合或质量传递等。然而，将过程安全转移至制造过程中的关键信息之一是了解释放的总热量、放热速率、反应物或能量的积聚以及反应物质与单个组分的稳定性。

反应量热法研究可提供关于关键过程参数及其对过程、可制造性、产品或中间体的产量和质量所产生影响的证据。

由于化学反应受到若干参数的影响（例如：浓度、添加速率、温度、溶剂、催化剂与pH值），因此将在线分析或自动化取样工具无缝集成至反应量热仪可明显提高研究的价值。

包含量热法和分析信息的数据丰富的实验可以有效满足当今快速开发安全可靠的过程，并将其从实验室有效转移至工厂的需求。

将新的化学或制药实体成功带入市场需要创新理念、有创意的研究人员以及现代化的工具，来支持一个高效的开发工作流程。

由于缺乏材料而小规模进行实验，同时获取的数据需要精确。需要确保将数据应用于统计方法（例如：实验设计（DoE）研究）的数据，以及基于传统程序的实验值得信赖的，从而在开发早期阶段识别可放大性和潜在的安全问题。这样，化学开发中的生产效率才能得以提高，同时确保可以在大规模下安全经济地执行过程。

化学品和制药行业通常会使用释放大量能量的复杂化学工艺。了解潜在风险非常重要，这是安全生产化学品和药品的前提条件。  其中包括了解目标反应以及可能的非目标反应的热力学特性。

使用RC1mx反应量热仪可提供可靠的数据，用于以最大的信心度计算主反应的相关安全参数。iC Safety会将实验数据转换为安全信息，将其与非目标反应的数据进行组合，并以精确且易于理解的格式（例如：表、失控和关键性图表）表示热风险（例如：热积聚、ΔTadiabatic、MTSR等）。 

许多出版物中都引用了使用反应量热仪的化学过程安全性与相关应用，其中包括：

• Hua, M., Qi, M., Pan, X., Yu, W., Zhang, L., & Jiang, J. (2017). Inherently safer design for synthesis of 3-methylpyridine-N-oxide.Process Safety Progress, 37(3), 355–361. https://doi.org/10.1002/prs.11952
• Jyotsna, G. K., Srikanth, S., Ratnaparkhi, V., Rakeshwar, B. (2017). Reaction calorimetry as a tool for thermal risk assessment and improvement of safe scalable chemical processes.Inorg Chem Ind J.,12(1),110.
• Lakshminarasimhan, T. (2014). Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter (RC1e).Organic Process Research & Development, 18(2), 315–320. https://doi.org/10.1021/op400301f
• Mitchell, C. W., Strawser, J. D., Gottlieb, A., Millonig, M. H., Hicks, F. A., & Papageorgiou, C. D. (2014). Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions.Organic Process Research & Development, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
• Monteiro, A. M., & Flanagan, R. C. (2017). Process Safety Considerations for the Use of 1 M Borane Tetrahydrofuran Complex Under General Purpose Plant Conditions.Organic Process Research & Development, 21(2), 241–246. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00407
• Pečar, D., & Goršek, A. (2015). Saponification reaction system: a detailed mass transfer coefficient determination.Acta Chimica Slovenica, 62(1). https://doi.org/10.17344/acsi.2014.1110
• Wang, J., Huang, Y., Wilhite, B. A., Papadaki, M., & Mannan, M. S. (2018). Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3-Methylpyridine N-Oxide Synthesis.Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
• Yang, Q., Canturk, B., Gray, K., McCusker, E., Sheng, M., & Li, F. (2018). Evaluation of Potential Safety Hazards Associated with the Suzuki–Miyaura Cross-Coupling of Aryl Bromides with Vinylboron Species.Organic Process Research & Development, 22(3), 351–359. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00001