Forebyg løbske kemiske reaktioner

Analyse af reaktionsdynamik giver forskere mulighed for at modellere løbske reaktionsscenarier og etablere den ideelle reaktionsprocedure. Måling, beregning og forståelse af nedenstående parametre er afgørende for at vurdere og undgå risiko i en kemisk proces. Dette giver forskere mulighed for at lave forudsigelser om temperatur og doseringsprofiler, koncentrationer eller maksimal driftstemperatur. Fra termokemiens synspunkt er de vigtigste oplysninger:

1. Ophobning
2. Adiabatisk temperaturstigning
3. Varmekapacitet
4. Reaktion entalpi
5. Varmeproduktionshastighed/reaktionsvarme
6. MTSR (maksimal temperatur for syntesereaktionen)
7. Ønsket reaktion, uønsket reaktion, nedbrydning, termisk løb

Akkumulering refererer normalt til enten materiale, der doseres under en semi-batch-reaktion, som ikke reagerer med det samme, eller energi, der akkumuleres, fordi varmeproduktionen er større end varmefjernelseskapaciteten.

Hvis koncentrationen af ureageret råmateriale ophobes eller ophobes, udgør det en fare, hvis afkølingen svigter. Dette kan måles ved hjælp af et reaktionskalorimeter ved at bestemme den hastighed, hvormed varme genereres, sammenlignet med tilsætningshastigheden. Det er også muligt at bruge in situ FTIR-spektroskopi til direkte at måle koncentrationen af det ureagerede reagens.

Termisk akkumulering beskriver variationen i energiindholdet i et system og skyldes, at varmeproduktionen er større end varmefjernelseskapaciteten, hvilket resulterer i en temperaturændring. Måling af varmekapaciteten og temperaturændringen ved hjælp af et reaktionskalorimeter gør det muligt at beregne den termiske akkumulering og afledning af den sande reaktionsvarme.

Den adiabatiske temperaturstigning er en egenskab, der beregnes for en given reaktion for at indikere den potentielle sværhedsgrad af en kølefejl eller anden procesforstyrrelse. Det afhænger af den samlede mængde energi, der frigives (reaktionsentalpi), den samlede masse af reaktionsblandingen og systemets specifikke varmekapacitet. Det er især vigtigt at vide, om det kan bringe reaktionsblandingen til en temperatur, hvor en sekundær reaktion eller nedbrydningsreaktion kan forekomme. Den adiabatiske temperaturstigning beregnes let ved hjælp af et reaktionskalorimeter for at give en simpel 'worst-case' indikation af temperaturstigningen. Mere sofistikerede beregninger, såsom dem, der udføres af iC Safety, kan udlede relaterede parametre såsom MTSR (Maximum Temperature of the Synthesis Reaction), som er en mere nyttig parameter til opskaleringsundersøgelser.

Varmekapacitet eller specifik varmekapacitet af et materiale beskriver den mængde energi, der kræves for at øge temperaturen på et kilogram af materialet med en grad Celsius. Standardenheden for varmekapaciteten er således kJ/kg. K-1. Denne egenskab spiller en direkte rolle i beregningen af den akkumulerede varme, den adiabatiske temperaturstigning og MTSR. Da det varierer afhængigt af arten af reaktorindholdet, er det nødvendigt eksperimentelt at bestemme blandingens varmekapacitet som en del af processikkerhedsundersøgelsen. Dette giver den ekstra fordel, at sådanne data normalt hilses velkommen af ingeniører, der arbejder med opskalering, da det hjælper med at beregne den samlede energibalance i processen.

Reaktionsentalpien af en kemisk reaktion er den entalpiændring, der opstår, når stoffer omdannes ved en kemisk reaktion. Det fortæller forskeren, hvor meget energi der udvikles fra en proces i alt, og måles ved hjælp af et reaktionskalorimeter. Reaktionsentalpien for reaktionen beregnes ved at integrere reaktionsvarmetendensen over tid.

Varmeproduktionshastigheden eller reaktionsvarmen er relateret til reaktionens samlede entalpi, men overvejer, hvordan energien frigives i funktion af tid. Dette er af grundlæggende betydning, fordi reaktionens totale entalpi måske ikke er kritisk, men den hastighed, hvormed denne energi frigives, kan være forskellen mellem en sikker proces og en farlig proces.

Reaktionsvarmen giver vital information om reaktionens start og afslutning, mulig akkumulering af reaktanter, den maksimale varmeudvikling, reaktionskinetik og den nødvendige reaktorkølekapacitet og kinetik. Den hastighed, hvormed varme produceres, påvirkes af flere faktorer, herunder temperatur, doseringshastighed, koncentration, kinetik og blanding.

Bestemmelsen af reaktionsvarmen kræver kendskab til den samlede varmestrømsbalance, herunder mængden af energi, der strømmer gennem reaktorvæggen (qflow), den mængde, der kan tilføjes/forbruges under dosering (qdos), og den mængde, der akkumuleres på grund af temperaturstigning (qaccu). Dens integrerede værdi repræsenterer reaktionens entalpi.

Den maksimale temperatur af syntesereaktionen (MTSR) er en af hjørnestenene i kemisk processikkerhed for en semi-batch reaktor. Den beskriver temperaturudviklingen efter et kølesvigt på grund af mængden af ureageret materiale, der var til stede på tidspunktet for kølesvigt. Startende med procestemperaturen udføres beregningen af MTSR dynamisk for at bestemme den højeste temperatur, som reaktionsblandingen vil nå, forudsat at al reaktionsenergien forbliver i reaktoren (dvs. systemet er eller bliver adiabatisk). Reaktionskalorimeteret er et vigtigt værktøj til måling af reaktionsvarmen, reagensakumulationen og MTSR. Det er vigtigt at bemærke, at denne egenskab kun vedrører den ønskede (syntese) reaktion, og yderligere procedurer (Differential Scanning Calorimetry, DSC) skal udføres for at forstå virkningerne af eventuelle efterfølgende sekundære eller nedbrydningsreaktioner.

En termisk løbsk eller termisk eksplosion kan være konsekvensen af en adiabatisk proces af en reaktion eller en række reaktioner. Det opstår, når varme produceret ved en eksoterm reaktion akkumuleres, hvilket fører til en stigning i temperaturen i reaktionsblandingen. Efterfølgende stiger reaktionshastigheden, hvilket fører til en øget varmeproduktionshastighed.

Temperaturstigningen kan udløse sekundære reaktioner, såsom nedbrydning af reaktionsmassen, mellemprodukterne eller det endelige produkt, der fører til en termisk løbsk. Ved at udføre ordentlige processikkerhedsundersøgelser i laboratorieskala kan de forhold, der fører til en termisk løb, identificeres og undgås, før processen skaleres op.

Det er af største betydning at studere både de ønskede og potentielt uønskede reaktioner. Mens de uønskede reaktioner undersøges ved hjælp af adiabatiske kalorimetre, Dewar-kolber eller DSC, studeres den ønskede reaktion typisk med et reaktionskalorimeter.

Reaktionskalorimeteret kan bruges til at bestemme nøglefaktorer såsom reaktionsvarmen, akkumuleringen, den adiabatiske temperaturstigning og MTSR for at forstå konsekvensen af en kølefejl. Faktisk bruges det til at bestemme, om den ønskede syntesereaktion kan få processen til at blive ustabil, hvilket fører til en sekundær reaktion.

I de fleste tilfælde frigiver den sekundære reaktion mere energi og hurtigere end den ønskede reaktion, hvor produktionsanlægget ikke er i stand til sikkert at fjerne denne energi. Derfor er det nødvendigt at designe reaktionen, så potentielt farlige forhold ikke kan opstå, eller at definere passende foranstaltninger for at sikre, at processen forbliver under sikker kontrol til enhver tid.

Reaktionskalorimetre bestemmer en række sikkerhedsrelaterede parametre med høj nøjagtighed. Brugen af designede systemer er afgørende for levering af præcise kalorimetriske data af høj kvalitet.

METTLER TOLEDOs termostater er udstyret med unikke øjeblikkelige kølingsprincipper for at give hurtig respons og nøjagtig kontrol for at garantere de bedste og sikreste arbejdsforhold.

Brugen af specialdesignet hardware sammen med avanceret, brugervenlig software sikrer, at parametre som f.eks. specifik varme, varmeoverførsel, den sande reaktionsvarme og akkumulering af produkt og varme beregnes nøjagtigt gennem hele den kemiske reaktion. Dette giver kemiingeniører vigtige data til processikkerhed og opskalering.