منع التفاعلات الكيميائية الخارجة عن السيطرة

يسمح تحليل ديناميكيات التفاعل للعلماء بنمذجة سيناريوهات التفاعلات الخارجة عن السيطرة ووضع إجراء التفاعل المثالي. يُعد كل من قياس المعلمات الواردة أدناه وحسابها وفهمها أمورًا ضرورية لتقييم المخاطر في العمليات الكيميائية وتجنبها. حيث يسمح ذلك للعلماء بوضع تنبؤات حول أنماط درجة الحرارة وتحديد الجرعات أو التركيزات أو درجة حرارة التشغيل القصوى. تتمثل المعلومات الأساسية فيما يلي من منظور الكيمياء الحرارية:

1. التراكم
2. ارتفاع درجة الحرارة الكاظم للحرارة
3. السعة الحرارية
4. المحتوى الحراري للتفاعل
5. معدل إنتاج الحرارة/حرارة التفاعل
6. درجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي (MTSR)
7. التفاعل المرغوب، والتفاعل غير المرغوب، والتحلل، والجموح الحراري

يشير التراكم عادة إما إلى المادة المستهلكة في أثناء التفاعلات شبه الدفعية، والتي لا تتفاعل على الفور، أو إلى الطاقة المتراكمة لأن إنتاج الحرارة أكبر من قدرة إزالة الحرارة.

إذا تراكم/ترسّب تركيز المواد الخام غير المتفاعلة، فهذا يشكل خطرًا في حالة فشل التبريد. ويمكن قياس ذلك باستخدام كالوريمتر التفاعل من خلال تحديد معدل توليد الحرارة مقارنة بمعدل الإضافة. ومن الممكن أيضًا استخدام تقنية التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه في الموقع لقياس تركيز الكاشف غير المتفاعل مباشرةً.

ويصف التراكم الحراري تباين محتويات الطاقة لأحد الأنظمة، وينتج بسبب تفوق إنتاج الحرارة على قدرة إزالة الحرارة مما يؤدي إلى تغير درجة الحرارة. ويتيح قياس السعة الحرارية وتغير درجة الحرارة باستخدام كالوريمتر التفاعل إمكانية حساب التراكم الحراري واستنباط الحرارة الحقيقية للتفاعل.

ارتفاع درجة الحرارة الكاظم للحرارة عبارة عن خاصية يتم حسابها لأي تفاعل محدد للإشارة إلى الخطوة المحتملة لفشل التبريد أو أي اضطراب آخر للعملية. ويعتمد ذلك على إجمالي كمية الطاقة المنطلقة (المحتوى الحراري للتفاعل)، والكتلة الكلية لخليط التفاعل، والسعة الحرارية المحددة للنظام. ومن المهم بشكل خاص معرفة ما إذا  كان يمكن أن ترفع درجة حرارة خليط التفاعل إلى درجة يمكن أن يحدث فيها تفاعل ثانوي أو تفاعل تحلل. ويُحسب ارتفاع درجة الحرارة الكاظم للحرارة بسهولة باستخدام كالوريمتر التفاعل لتوفير إشارة بسيطة إلى "أسوأ الحالات" لزيادة درجة الحرارة. ويمكن للحسابات الأكثر تعقيدًا، مثل الحسابات التي يجريها برنامج iC Safety، استخلاص المعلمات ذات الصلة مثل درجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي (MTSR) والتي تعد معلمة أكثر فائدة لدراسات التوسع.

تصف السعة الحرارية أو السعة الحرارية المحددة للمادة كمية الطاقة المطلوبة لرفع درجة حرارة كيلوغرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة. ‏وبالتالي تكون الوحدة القياسية للسعة الحرارية هي كيلو جول/كيلوجرام كلفن-1. وتلعب هذه الخاصية دورًا مباشرًا في حساب الحرارة المتراكمة وارتفاع درجة الحرارة الكاظم للحرارة ودرجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي. ومن الضروري تحديد السعة الحرارية للخليط بالتجربة كجزء من دراسة سلامة العملية، نظرًا لأنها تختلف وفقًا لطبيعة محتويات المفاعل. وهذا يمنح الميزة الإضافية المتمثلة في أن هذا النوع من البيانات يكون مُفضلاً عادة من قبل المهندسين العاملين على التوسّع، حيث تساعد في حساب توازن الطاقة الكلي للعملية.

المحتوى الحراري للتفاعل الكيميائي هو تغير المحتوى الحراري الذي يحدث عند تحويل المواد من خلال تفاعل كيميائي. حيث يخبر العالم بمقدار الطاقة المستخرجة من العملية في المجمل ويقاس باستخدام كالوريمتر التفاعل. ويُحسب المحتوى الحراري للتفاعل من خلال دمج متجه حرارة التفاعل مع مرور الوقت.

يرتبط معدل إنتاج الحرارة أو حرارة التفاعل بالمحتوى الحراري الكلي للتفاعل، لكنه يعتمد على كيفية إطلاق الطاقة في دالة الوقت. ويُعد هذا الأمر ذا أهمية أساسية، لأن المحتوى الحراري الكلي للتفاعل قد لا يكون ضروريًا، ولكن معدل إطلاق هذه الطاقة يمكن أن يمثل الفارق بين العمليات الآمنة والخطيرة.

وتوفر حرارة التفاعل معلومات حيوية فيما يتعلق ببدء التفاعل ونهايته، والتراكم المحتمل للمواد المتفاعلة، وتطور الحرارة القصوى، وحركيات التفاعل، وقدرة تبريد المفاعل والحركيات اللازمة. ويتأثر معدل إنتاج الحرارة بعدد من العوامل، بما في ذلك درجة الحرارة، ومعدل صرف المقادير، والتركيز، والحركيات، والخلط، 

يتطلب تحديد حرارة التفاعل معرفة التوازن الكلي لتدفق الحرارة بما في ذلك كمية الطاقة التي تتدفق عبر جدار المفاعل (qflow)، والكمية التي يمكن إضافتها/استهلاكها خلال صرف المقادير (qdos)، والكمية المتراكمة بسبب ارتفاع درجة الحرارة (qaccu). وتمثل قيمته التكاملية المحتوى الحراري للتفاعل.

تُعد درجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي (MTSR) واحدة من الركائز الأساسية لسلامة العمليات بالمفاعلات شبه الدفعية. وتشير إلى تطور درجة الحرارة بعد فشل التبريد بسبب كمية المواد غير المتفاعلة التي كانت موجودة في وقت فشل التبريد. وبدءًا من درجة حرارة العملية، يتم إجراء حساب درجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي بشكل ديناميكي لتحديد أعلى درجة حرارة سيصل إليها خليط التفاعل على افتراض أن كل طاقة التفاعل تبقى في المفاعل (أي أن النظام يكون أو يصبح كاظمًا للحرارة). ويُعد كالوريمتر التفاعل أداة أساسية لقياس حرارة التفاعل وتراكم الكواشف ودرجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي. ومن المهم ملاحظة أن هذه الخاصية تتعلق بالتفاعل (التخليقي) المطلوب فقط، ويجب تنفيذ إجراءات إضافية (كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي، DSC) لفهم آثار أي تفاعلات ثانوية أو تحللية لاحقة.

قد يحدث الجموح الحراري أو الانفجار الحراري نتيجة لعملية كاظمة للحرارة لتفاعل أو سلسلة من التفاعلات. ويحدث عندما تتراكم الحرارة الناتجة عن تفاعل طارد للحرارة مما يؤدي إلى ارتفاع في درجة حرارة خليط التفاعل. وبعد ذلك، يزيد معدل التفاعل مما يؤدي إلى زيادة معدل توليد الحرارة.

وقد تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى حدوث تفاعلات ثانوية، مثل تحلل كتلة التفاعل أو المكونات الوسيطة أو المنتج النهائي الذي يؤدي إلى الجموح الحراري. ومن خلال إجراء الدراسات المناسبة لسلامة العملية على نطاق المختبر، يمكن تحديد الظروف التي تؤدي إلى حدوث الجموح الحراري وتجنبها قبل توسيع نطاق العملية.

وبدراسة النوعين، تُعد التفاعلات المرغوبة وكذلك التفاعلات التي قد تكون غير مرغوبة ذات أهمية قصوى. وبينما تتم دراسة التفاعلات غير المرغوبة باستخدام أجهزة الكالوريمتر الكاظمة للحرارة أو قوارير ديوار أو كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي، نجد أنه عادةً ما تتم دراسة التفاعل المرغوب باستخدام كالوريمتر التفاعل.

ويمكن استخدام كالوريمتر التفاعل لتحديد العوامل الرئيسية مثل حرارة التفاعل، والتراكم، وارتفاع درجة الحرارة الكاظم للحرارة ودرجة الحرارة القصوى للتفاعل التخليقي من أجل فهم نتيجة فشل التبريد. ويتم استخدامه في الواقع لتحديد ما إذا كان التفاعل التخليقي المرغوب يمكن أن يتسبب في عدم استقرار العملية مما يؤدي إلى حدوث تفاعل ثانوي.

وفي معظم الحالات، يحرر التفاعل الثانوي طاقة أكثر وأسرع من التفاعل المرغوب، مع عدم قدرة مرفق الإنتاج على إزالة هذه الطاقة بأمان. لذلك؛ من الضروري تصميم التفاعل بطريقة تحول دون حدوث حالات خطيرة، أو لتحديد التدابير المناسبة لضمان بقاء العملية تحت السيطرة بأمان طوال الوقت.

تحدد أجهزة كالوريمتر التفاعل مجموعة من المعلمات المتعلقة بالسلامة بدقة عالية. ويُعد استخدام الأنظمة المصممة حسب الغرض أمرًا بالغ الأهمية لتقديم بيانات كالوريمترية دقيقة وعالية الجودة.

‏كما أن منظمات الحرارة من METTLER TOLEDO مزودة بمبادئ تبريد فورية فريدة لتوفير استجابة سريعة وتحكم دقيق لضمان أفضل ظروف العمل وأكثرها أمانًا.

وتضمن الأجهزة المصممة حسب الغرض، جنبًا إلى جنب مع البرامج المتقدمة سهلة الاستخدام، حساب المعلمات مثل الحرارة النوعية، وانتقال الحرارة، والحرارة الحقيقية للتفاعل، وتراكم المنتج، والحرارة بدقة طوال التفاعل الكيميائي بأكمله. وهذا يوفر للمهندسين الكيميائيين بيانات أساسية لسلامة العملية وتوسيع نطاقها.