تعد حرارة التفاعل ، أو المحتوى الحراري للتفاعل ، معلمة أساسية لتوسيع نطاق العمليات الكيميائية بأمان ونجاح. حرارة التفاعل هي الطاقة التي يتم إطلاقها أو امتصاصها عندما تتحول المواد الكيميائية في تفاعل كيميائي. يصف تغير محتوى الطاقة عند تحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات. في حين أن التفاعل يمكن أن يكون طاردا للحرارة (إطلاق الحرارة) أو ماص للحرارة (امتصاص الحرارة) ، فإن معظم التفاعلات التي يتم إجراؤها في الصناعات الكيميائية والصيدلانية طاردة للحرارة. من بين أمور أخرى ، تعد حرارة التفاعل إحدى الخصائص الديناميكية الحرارية المستخدمة في التطوير الكيميائي ، والتوسع ، والسلامة لتوسيع نطاق العمليات من مقياس المختبر إلى التصنيع. عادة ما يتم التعبير عن حرارة التفاعل أو المحتوى الحراري للتفاعل على أنه المحتوى الحراري المولي في kJ / mol ، أو كمحتوى حراري محدد في kJ / kg أو kJ / L.
ما هي حرارة التفاعل؟
لماذا أحتاج إلى فهم حرارة رد الفعل؟
لبعض الوقت ، أصبحت اعتبارات السلامة مكونا أساسيا لتطوير العمليات الكيميائية ، ويتم تطوير مفاهيم السلامة بشكل روتيني أثناء تصميم العملية التجريبية أو واسعة النطاق. تتطلب الجمعيات الصناعية والسلطات الفيدرالية ، مثل CSB و OSHA (الولايات المتحدة) و HSE (المملكة المتحدة) و EU-OSHA و EPSC (EU) أو IPE وإدارة الدولة لسلامة العمل (SAWS) في الصين ، من الصناعات الكيميائية والصيدلانية الامتثال للوائح التي تضمن الإنتاج الآمن. وركزت التوجيهات على تجنب الحوادث والحوادث في الصناعات الكيميائية والصيدلانية.
يتطلب تقييم المخاطر بيانات كيميائية رئيسية تصف خصائص المواد ، ولكن أيضا معلومات حول العملية نفسها. من بين المعلومات الحرارية الأخرى ، تعد حرارة التفاعل معلمة أساسية يمكن استخدامها لاشتقاق المعلومات المتعلقة بالعمليات الآمنة وبناء المعرفة بسلامة العمليات. يعني بناء المعرفة بسلامة العمليات أيضا فهم كل من ردود الفعل غير المرغوب فيها والمحتملة. في حين أن التفاعل غير المرغوب فيه يهتم في المقام الأول بتحديد التفاعلات الجانبية أو المتتالية المحتملة التي قد يتبعها تفاعل جامح ، فإن التحقيق في التفاعل المطلوب يوضح كيف يتصرف التفاعل في ظل ظروف التشغيل العادية.
يعد تراكم مادة البداية وحرارة التفاعل والمحتوى الحراري للتفاعل والحرارة النوعية بعض المعلمات الرئيسية اللازمة لإنشاء سيناريوهات فشل التبريد للتفاعل المطلوب. ومع ذلك ، فإن الدراسات الأكثر تقدما ، مثل تقييم أسوأ السيناريوهات أو فئة الحرجة أو مصفوفة الحرجة ، تستخدم المعلومات من حرارة التفاعل بنفس القدر.
كيف تحسب حرارة التفاعل أو المحتوى الحراري للتفاعل؟
يمكن حساب حرارة التفاعل بناء على الحرارة القياسية لتكوين جميع المواد المتفاعلة المعنية. ومع ذلك ، يتم تحديده عادة عن طريق قياس إنتاج الحرارة بمرور الوقت باستخدام مسعر التفاعل ، مثل مسعر تدفق الحرارة.
يتطلب تحديد حرارة التفاعل معرفة توازن تدفق الحرارة الكلي ، بما في ذلك تدفق الحرارة عبر جدار المفاعل ، وكمية الحرارة التي يتم تبادلها أثناء جرعات المواد المتفاعلة أو المذيبات والحرارة المتراكمة بسبب زيادة درجة الحرارة أو نقصانها.
بينما يوفر معدل إطلاق الحرارة وحرارة التفاعل معلومات عن كيفية إطلاق الحرارة في دالة الوقت ، يتم الحصول على حرارة المحتوى الحراري للتفاعل من خلال دمج حرارة اتجاه التفاعل بين بداية التفاعل ونهايته. نظرا لأن جميع مصطلحات تدفق الحرارة الفردية ذات صلة بتوازن الحرارة الكلي ، يجب توخي الحذر لتحديدها بأكبر قدر ممكن من الدقة.
حرارة تفاعل التفاعلات الكيميائية
هل الكيمياء الخاصة بي طاردة للحرارة؟
تعتمد كمية حرارة التفاعل على المواد المتفاعلة والمنتجات المتكونة ، وبالتالي فهي دالة لقوة الروابط بين الذرات المكسورة والمتكونة حديثا.
إذا كان مجموع حرارة تكوين المواد المتفاعلة أكبر من حرارة تكوين المنتجات ، فإن التفاعل يكون حراريا خارجيا أو محررا للحرارة.
بمعنى آخر ، تختلف حرارة التفاعل باختلاف نوع التفاعل والمجموعات الوظيفية المعنية. في حين أن حرارة التفاعل تتراوح بين 50 إلى 70 كيلو جول / مول لتفاعل الأسترة النموذجي ، فقد يصل إلى 300 إلى 600 كيلو جول / مول لتفاعلات هدرجة مركبات النيترو.
تفاعلات التحلل (مثل تحلل المتفجرات) أقوى بكثير من أي من التفاعلات الكيميائية النموذجية المطبقة في الصناعة الكيميائية والصيدلانية. تتراوح حرارة تفاعل تفاعلات التحلل هذه ، والتي تسمى أيضا حرارة التفجير ، بين 4 و 7.5 ميجا جول / كجم من المادة.
في حين أنه يمكن بسهولة تحديد حرارة تفاعل أي تفاعل كيميائي قياسي في مسعر التفاعل ، يتم تحديد حرارة تفاعلات التحلل إما باستخدام نماذج رياضية أو باستخدام معدات ، مثل مسعرات الفحص التفاضلي (DSC) أو مسعرات القنبلة أو ما يسمى بكالوريمتر التفجير.
حرارة التفاعل مقابل معدل إطلاق الحرارة
بيانات متسقة تدعم التوسع الآمن
تصف حرارة التفاعل تبادل الكمية الإجمالية للطاقة عندما يتم تحويل المواد المتفاعلة إلى نواتج. ومع ذلك ، فإن معدل إطلاق الحرارة يأخذ في الاعتبار كيفية إطلاق الطاقة كدالة للوقت ويتم التعبير عنها ب W أو J / s.
هذا ذو أهمية أساسية ، لأن المحتوى الحراري الكلي للتفاعل قد لا يكون حرجا ، لكن معدل إطلاق هذه الطاقة يمكن أن يحدث فرقا بين العملية الآمنة والخطيرة.
معظم مفاعلات الدفعات أو شبه الدفعات في التصنيع قادرة على إزالة ما بين 25 و 35 واط / لتر ، اعتمادا على الحجم ومفهوم التبريد. وبالتالي ، يجب تصميم معدل إطلاق الحرارة للعملية الكيميائية ليكون ضمن نطاق معين من معدل إنتاج الحرارة لضمان إمكانية تشغيل التفاعل بأمان ، بغض النظر عن الحرارة الكلية للتفاعل.
قيمة حرارة التفاعل في سلامة العملية
ترتبط كمية حرارة التفاعل ارتباطا مباشرا بالشدة في حالة وقوع حادث ، وتجد استخداما خاصا في تقييم التفاعلات والتوسع والحسابات المتعلقة بسلامة العمليات.
أثناء إجراء تحقيقات سلامة العملية ، يتم تطبيق حرارة التفاعل لحساب ما يسمى بزيادة درجة الحرارة الثابتة وبالتالي درجة الحرارة القصوى لتفاعل التخليق (MTSR). زيادة درجة الحرارة الثابتة (ΔTad) هي دالة لكمية مادة البداية المتراكمة ، والمحتوى الحراري للتفاعل ، وكمية كتلة التفاعل والحرارة النوعية لكتلة التفاعل. يصف الزيادة النظرية لدرجة حرارة كتلة التفاعل ، بافتراض أن جزءا من التفاعل أو كله يتم تشغيله بشكل ثابت بسبب فشل تبريد المصنع. في مثل هذه الحالة ، ستزداد درجة حرارة محتوى المفاعل بشكل متناسب مع تحويل المادة غير المتفاعلة. وبالتالي ، ستزداد درجة حرارة العملية بوصول MTSR.
تكنولوجيا حرارة التفاعل
ضمان السلامة حسب التصميم
لأكثر من 30 عاما ، كان RC1 هو المعيار الذهبي في قياس السعرات الحرارية للتفاعل. RC1 هي أداة يمكنك الوثوق بها. يعتمد RC1mx على سابقاته من خلال إضافة مستوى من الراحة لتطوير أسرع لعمليات أفضل وأكثر قوة وقابلة للتطبيق اقتصاديا.
- افهم عمليتك
تحديد البيانات الديناميكية الحرارية بسرعة ودقة في ظل ظروف متساوية الحرارة أو غير متساوية الحرارة. - قياس السعرات الحرارية لتدفق الحرارة - موثوق به ببساطة
يسمح قياس كالوريمتر تدفق الحرارة ، المناعي والقوي ضد التأثير الخارجي ، بقياس تطور الحرارة بدقة ودقة في ظل ظروف المعالجة. - قياس الحرارة الحقيقية للتفاعل
قياس الحرارة الحقيقية للتفاعل هو الأساس لفهم تقدم التفاعلات الكيميائية وحركيتها وإمكاناتها الخطرة.
التحويل الحراري مقابل التحويل الكيميائي للتفاعل
التحويل الحراري هو معلومات ذات صلة بتطوير العملية الكيميائية ، ويصف العلاقة بين الحرارة الجزئية للتفاعل كدالة للوقت والحرارة الكلية للتفاعل. يعتمد حساب التحويل الحراري فقط على الحرارة المنبعثة أثناء التفاعل بدلا من التحويل الكيميائي ، والذي يعتمد على التحويل الكيميائي من المواد المتفاعلة إلى منتجات.
في حين أن التحويل الحراري في نهاية التفاعل يكون دائما 100٪ ، فقد يكون التحويل الكيميائي أقل ، ويختلف اعتمادا على اختيار معلمات العملية. إن الهدف من التطوير الكيميائي هو بالفعل تحقيق أعلى تحويل ممكن للمواد المتفاعلة ، مما يؤدي إلى أعلى عائد ممكن.
يعد قياس السعرات الحرارية للتفاعل جنبا إلى جنب مع التحليل في الوقت الفعلي ، مثل التحليل الطيفي FTIR في الموقع ، طريقة مثالية لدراسة تقدم التفاعل الكيميائي ، وتحويل المواد المتفاعلة ، وتكوين المنتجات ، والمنتجات الثانوية والوسيطة ، أثناء قياس المعلومات الديناميكية الحرارية ، مثل حرارة التفاعل أو تدفق الحرارة أو الحرارة النوعية أو نقل الحرارة في نفس الوقت.
دراسة كالوريمتر التفاعل تؤدي إلى توفير رأس المال والنفقات
بفضل المعلومات التي تم الحصول عليها من RC1 (مثل حرارة التفاعل والسعة الحرارية ومعدل إنتاج الحرارة) ، تم تحسين عملية راسخة ولكنها صعبة وتنفيذها على نطاق واسع في غضون فترة زمنية قصيرة جدا. وأسفر هذا التحسين عن وفورات تقارب 000 70 دولار لأنه لم تكن هناك حاجة إلى مرحلة تجريبية. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تحقيق وفورات سنوية قدرها 000 50 دولار في تكاليف الإنتاج بسبب المعدات الأقل تكلفة وحجم الدفعة الأكبر.
تم التحقيق في كلتا خطوتي تخليق الإندول ، تخليق فينيل هيدرازون متبوعا بإغلاق حلقة فيشر ، في مسعر تفاعل RC1.
كان التركيز الرئيسي للتحقيق على معدل إطلاق الحرارة ، وحرارة التفاعل ونقل الحرارة ، بالإضافة إلى تأثير درجة حرارة التفاعل ، وفي مرحلة لاحقة ، معدل الجرعات على المعلومات المذكورة أعلاه. بناء على البيانات التجريبية ، يمكن تقدير درجة الحرارة ونظام الجرعات ، بالإضافة إلى الوقت والتبريد ، والأداء المطلوب للعمليات في مفاعل المحطة. كما أن حقيقة أن العملية الحالية يمكن تعديلها لتصبح خاضعة للرقابة فعليا على الجرعات أدت أيضا إلى تحسين السلامة على نطاق التصنيع، مما ألغى إلى حد كبير الحاجة إلى تدابير السلامة باهظة الثمن.
تسريع تطوير العمليات باستخدام Dynochem
ضمان الخلط الفعال ونقل الحرارة على نطاق واسع
استخدم نمذجة Dynochem لضمان الخلط الفعال ونقل الحرارة عند توسيع نطاق التفاعلات. تسهل Dynochem المقارنة بسرعة بين مفاعلات المختبر والتجريبي ومقياس الإنتاج ، والعثور على معلمات الخلط المناسبة لتسريع عملية نقل عملية المفاعل إلى المفاعل بأمان. من خلال البيانات التي يوفرها قياس السعرات الحرارية للتفاعل ونمذجة Dynochem ، تأكد بسرعة من سلامة العمليات الكيميائية وأداء العملية عبر المقاييس.
المنشورات
حرارة التفاعل في المنشورات المتعلقة بالصناعة
فيما يلي مجموعة مختارة من المنشورات التي تناقش حرارة التفاعل أو المحتوى الحراري للتفاعل.
- أغوستي ، أ. ، بيرتوليني ، جي ، برونو ، جي ، لاوتز ، سي ، جلارنر ، ت. ، وديشتمان ، دبليو (2017). التعامل مع أكسدة بيروكسيد الهيدروجين على نطاق واسع: تخليق 5-برومو-2-نيتروبيريدين. البحث والتطوير في العمليات العضوية ، 21 (3) ، 451-459. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00433
- Changi ، S. M. ، & Wong ، S. W. (2016). نموذج الحركية لتصميم تفاعلات Grignard في عمليات الدفعات أو التدفق. البحث والتطوير في العمليات العضوية ، 20 (2) ، 525-539. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00281
- جلوتز ، جي ، كنوشيل ، دي جيه ، بودمور ، ب. ، جروبر وولفلر ، إتش ، وكابي ، سي أو (2017). كالوريمتر التفاعل في بيئات المفاعلات الدقيقة - قياس حرارة التفاعل بواسطة كالوريمتر تدفق الحرارة متساوي الحرارة. البحث والتطوير في العمليات العضوية ، 21 (5) ، 763-770. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00092
- لاكشميناراسيمهن ، ت. (2014). التنبؤ بدرجة حرارة التحلل الثابت لمدة 24 و 8 ساعات لتفاعلات درجات الحرارة المنخفضة عن طريق التركيب الحركي لبيانات الحرارة غير متساوية الحرارة من مسعر التفاعل (RC1e). البحث والتطوير في العمليات العضوية ، 18 (2) ، 315-320. https://doi.org/10.1021/op400301f
- ميتشل ، سي دبليو ، ستراوسر ، جي دي ، جوتليب ، إيه ، ميلونيغ ، إم إتش ، هيكس ، إف إيه ، وباباجورجيو ، سي دي (2014). تطوير استراتيجية قائمة على النمذجة لتوسيع نطاق تفاعلات الهدرجة عالية الطاقة بشكل آمن وفعال. البحث والتطوير في العمليات العضوية ، 18 (12) ، 1828-1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
- وانغ ، ج. ، هوانغ ، واي ، ويلهايت ، بي إيه ، باباداكي ، إم ، ومانان ، إم إس (2018). نحو تحديد ظروف التفاعل المكثفة باستخدام منهجية سطح الاستجابة: دراسة حالة حول تخليق 3-ميثيل بيريدين N-Oxide. أبحاث الكيمياء الصناعية والهندسية ، 58 (15) ، 6093-6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
المنتجات ذات الصلة
مسعرات التفاعل
تقيس مسعرات التفاعل كمية الطاقة المنبعثة أو الممتصة بواسطة تفاعل كيميائي أو فيزيائي في التطور الكيميائي والصيدلاني.
مطياف FTIR و Raman
تتيح مطياف FTIR و Raman في الموقع المراقبة في الوقت الفعلي لتوفير معلومات مهمة لتحسين المركبات الكيميائية.
أنظمة أخذ العينات الآلية
خذ عينات تحليلية موثوقة مضمنة ، وقم بإخمادها في الموقع ، وقم بتخفيفها للحصول على عينات تحليلية قابلة للتكرار من أي تفاعل كيميائي تقريبا.
مفاعلات التخليق الكيميائي
زد من إنتاجيتك في مختبرك باستخدام مفاعلات التخليق الكيميائي المزودة بأدوات أتمتة مدمجة.
Pressure Reactors
Many applications, including hydrogenations, chlorinations, and hydroformylations, require elevated operating pressure. The use of a pressure controller or gas uptake set permits m...
iC Software Suite
In-situ chemical reaction analysis software enables better decision-making and improves the productivity of chemists and scientists.
جناح التوسع
برنامج تطوير العمليات وتوسيع نطاقه الرائد في العالم للعلماء والمهندسين.