Zabraňte nekontrolovatelným chemickým reakcím

Analýza dynamiky reakcí umožňuje vědcům modelovat nekontrolovatelné reakční scénáře a stanovit ideální reakční postup. Měření, výpočet a pochopení níže uvedených parametrů jsou nezbytné pro posouzení a předcházení rizikům v chemickém procesu. To umožňuje vědcům předpovídat teplotu a dávkovací profily, koncentrace nebo maximální provozní teplotu. Z hlediska termochemie jsou klíčové informace:

1. Akumulace
2. Adiabatický nárůst teploty
3. Tepelná kapacita
4. Reakční entalpie
5. Rychlost produkce tepla / reakční teplo
6. MTSR (maximální teplota syntézní reakce)
7. Žádoucí reakce, nežádoucí reakce, rozklad, tepelný únik

Akumulace se obvykle týká buď materiálu dávkovaného během polodávkové reakce, která nereaguje okamžitě, nebo energie, která je akumulována, protože produkce tepla je větší než kapacita odvodu tepla.

Pokud se koncentrace nezreagované suroviny hromadí nebo hromadí, představuje nebezpečí v případě selhání chlazení. To lze měřit pomocí reakčního kalorimetru určením rychlosti, jakou se teplo generuje, ve srovnání s rychlostí přidávání. Je také možné použít in situ FTIR spektroskopii k přímému měření koncentrace nezreagovaného činidla.

Tepelná akumulace popisuje změnu energetického obsahu systému a je způsobena tím, že produkce tepla je větší než kapacita odvodu tepla, což má za následek změnu teploty. Měření tepelné kapacity a změny teploty reakčním kalorimetrem umožňuje výpočet tepelné akumulace a odvození skutečného reakčního tepla.

Adiabatický nárůst teploty je vlastnost, která se vypočítá pro každou danou reakci, aby indikovala potenciální závažnost selhání chlazení nebo jiného narušení procesu. Závisí to na celkovém množství uvolněné energie (reakční entalpie), celkové hmotnosti reakční směsi a specifické tepelné kapacitě systému. Zvláště důležité je vědět, zda by to mohlo přivést reakční směs na teplotu, kde by mohlo dojít k sekundární reakci nebo rozkladné reakci. Adiabatický nárůst teploty lze snadno vypočítat pomocí reakčního kalorimetru , který poskytuje jednoduchou indikaci nárůstu teploty v "nejhorším případě". Sofistikovanější výpočty, jako jsou výpočty prováděné společností iC Safety, mohou odvodit související parametry, jako je MTSR (maximální teplota syntézní reakce), což je užitečnější parametr pro studie ve velkém měřítku.

Tepelná kapacita nebo měrná tepelná kapacita materiálu popisuje množství energie potřebné ke zvýšení teploty jednoho kilogramu materiálu o jeden stupeň Celsia. Standardní jednotkou tepelné kapacity je tedy kJ/kg. K-1. Tato vlastnost hraje přímou roli při výpočtu akumulovaného tepla, adiabatického nárůstu teploty a MTSR. Vzhledem k tomu, že se liší podle charakteru obsahu reaktoru, je nutné v rámci studie bezpečnosti procesu experimentálně určit tepelnou kapacitu směsi. To přináší další výhodu v tom, že tyto údaje obvykle uvítají inženýři pracující na škálování, protože pomáhají vypočítat celkovou energetickou bilanci procesu.

Reakční entalpie chemické reakce je změna entalpie, ke které dochází, když jsou látky transformovány chemickou reakcí. Sděluje vědci, kolik energie se celkem uvolní z procesu a měří se pomocí reakčního kalorimetru. Reakční entalpie reakce se vypočítá integrací trendu reakčního tepla v průběhu času.

Rychlost produkce tepla nebo reakční teplo souvisí s celkovou entalpií reakce, ale bere v úvahu, jak se energie uvolňuje v závislosti na čase. To má zásadní význam, protože celková entalpie reakce nemusí být kritická, ale rychlost, s jakou je tato energie uvolňována, může být rozdílem mezi bezpečným a nebezpečným procesem.

Reakční teplo poskytuje životně důležité informace týkající se začátku a konce reakce, možné akumulace reaktantů, maximálního vývoje tepla, reakční kinetiky a potřebné chladicí kapacity a kinetiky reaktoru. Rychlost, jakou se teplo vyrábí, je ovlivněna několika faktory, včetně teploty, rychlosti dávkování, koncentrace, kinetiky a míchání.

Stanovení reakčního tepla vyžaduje znalost celkové bilance tepelného toku, včetně množství energie, které protéká stěnou reaktoru (qflow), množství, které může být přidáno/spotřebováno během dávkování (qdos), a množství, které je akumulováno v důsledku zvýšení teploty (qaccu). Jeho integrální hodnota představuje entalpii reakce.

Maximální teplota syntézní reakce (MTSR) je jedním ze základních kamenů bezpečnosti chemického procesu pro polovsádkový reaktor. Popisuje vývoj teploty po výpadku chlazení v důsledku množství nezreagovaného materiálu, který byl přítomen v době selhání chlazení. Počínaje procesní teplotou se výpočet MTSR provádí dynamicky, aby se určila nejvyšší teplota, které reakční směs dosáhne za předpokladu, že veškerá reakční energie zůstane v reaktoru (tj. systém je nebo se stane adiabatickým). Reakční kalorimetr je základním nástrojem pro měření reakčního tepla, akumulace činidla a MTSR. Je důležité si uvědomit, že tato vlastnost se týká pouze požadované (syntetické) reakce a k pochopení účinků jakýchkoli následných sekundárních nebo rozkladných reakcí je třeba provést další postupy (diferenciální skenovací kalorimetrie, DSC).

Tepelný únik nebo tepelná exploze může být důsledkem adiabatického procesu reakce nebo série reakcí. Dochází k němu, když se akumuluje teplo produkované exotermickou reakcí, což vede ke zvýšení teploty reakční směsi. Následně se rychlost reakce zvyšuje, což vede ke zvýšené rychlosti tvorby tepla.

Zvýšení teploty může vyvolat sekundární reakce, jako je rozklad reakční hmoty, meziproduktů nebo konečného produktu, což vede k tepelnému úniku. Provedením řádných studií bezpečnosti procesu v laboratorním měřítku lze identifikovat podmínky vedoucí k tepelnému úniku a vyhnout se jim ještě před tím, než bude proces rozšířen.

Studium jak žádoucích, tak potenciálně nežádoucích reakcí je nanejvýš důležité. Zatímco nežádoucí reakce jsou zkoumány pomocí adiabatických kalorimetrů, Dewarových baněk nebo DSC, požadovaná reakce se obvykle studuje pomocí reakčního kalorimetru.

Reakční kalorimetr lze použít k určení klíčových faktorů, jako je reakční teplo, akumulace, adiabatický nárůst teploty a MTSR, aby bylo možné pochopit důsledek selhání chlazení. Ve skutečnosti se používá k určení, zda by požadovaná syntetická reakce mohla způsobit nestabilitu procesu, což by vedlo k sekundární reakci.

Ve většině případů sekundární reakce uvolní více energie a rychleji než požadovaná reakce, přičemž výrobní zařízení není schopno tuto energii bezpečně odebrat. Proto je nutné navrhnout reakci tak, aby nemohlo dojít k potenciálně nebezpečným situacím, případně definovat vhodná opatření, která zajistí, že proces zůstane vždy bezpečně pod kontrolou.

Reakční kalorimetry určují s vysokou přesností řadu parametrů souvisejících s bezpečností. Použití systémů navržených pro daný účel je rozhodující pro poskytování přesných a vysoce kvalitních kalorimetrických dat.

Termostaty METTLER TOLEDO jsou vybaveny jedinečnými principy okamžitého chlazení, které poskytují rychlou odezvu a přesnou regulaci, což zaručuje nejlepší a nejbezpečnější pracovní podmínky.

Použití účelově navrženého hardwaru spolu s pokročilým, uživatelsky přívětivým softwarem zajišťuje, že parametry, jako je měrné teplo, přenos tepla, skutečné reakční teplo a akumulace produktu a tepla, jsou vypočítány přesně v průběhu celé chemické reakce. Chemičtí inženýři tak získávají základní data pro bezpečnost procesů a jejich rozšiřování.