Calorimètres de réaction

Un calorimètre de réaction est un outil utilisé par les scientifiques dans le développement chimique et pharmaceutique pour mesurer la quantité d'énergie libérée ou absorbée par une réaction chimique ou physique.

Il consiste généralement en un réacteur à cuve agitée de taille variable dans lequel la température de la masse réactionnelle est surveillée et contrôlée avec précision, ainsi que tous les paramètres critiques du procédé.

Les calorimètres de réaction permettent d'étudier les procédés chimiques en conditions de production, fournissant un ensemble complet d'informations sur l'extrapolation et la sécurité du procédé.

Selon le stade de développement, diverses informations supplémentaires peuvent être pertinentes et donc fournir des données complémentaires (par exemple, des données analytiques provenant des mesures IR, HPLC ou autres peuvent être collectées et intégrées aux données de flux de chaleur).

Les calorimètres de réaction mesurent la chaleur dégagée suite à une réaction chimique ou un procédé physique et indiquent les données fondamentales thermochimiques et cinétiques de la réaction.

Les informations obtenues sont essentielles pour décrire le dégagement de chaleur d'une réaction chimique au fil du temps, et pour la transférer en toute sécurité du laboratoire vers l'usine.

La calorimétrie réactionnelle permet d'anticiper les comportements inattendus et tout autre problème d'extrapolation visible et quantifiable. Elle permet également d'identifier les problèmes relatifs au transfert ou au mélange de chaleur et de masse, afin de déterminer la température, l'agitation et le dosage appropriés d'une réaction ou d'un procédé donné. Les informations obtenues sont ensuite utilisées pour évaluer les risques, l'extrapolation et la criticalité du procédé.

Les données de calorimétrie réactionnelle sont utilisées pour caractériser, optimiser et comprendre les paramètres du procédé dans un environnement contrôlé, précis et reproductible, et pour permettre une extrapolation et un transfert en toute sécurité vers la fabrication.

La calorimétrie à flux de chaleur est la méthode la plus simple et la plus robuste pour déterminer la quantité de chaleur libérée par une réaction chimique ou un procédé physique, et elle est prise en charge par toutes les stations de travail de calorimétrie réactionnelle METTLER TOLEDO. La calorimétrie à flux de chaleur est applicable dans presque toutes les conditions, elle est extrêmement sensible et offre une excellente répétabilité.

Le principe de la calorimétrie à flux de chaleur est basé sur la mesure de la différence de température à travers la paroi du réacteur, qui est ensuite convertie en un flux de chaleur au moyen du facteur d'étalonnage.

Le facteur d'étalonnage dépend de la conductivité thermique et de l'épaisseur de la paroi du réacteur, de la résistance thermique du film de la masse réactionnelle, de la résistance thermique du film d'huile et de la surface d'échange thermique, et est déterminé au moyen d'un réchauffeur électrique.

La méthode de calorimétrie à flux de chaleur est applicable à petite et grande échelle, et constitue la base de tous les projets de développement de procédés chimiques, de l'extrapolation des procédés et des enquêtes sur la sécurité des procédés chimiques.

Les modèles EasyMax 102 HFCal,EasyMax 402 HFCal et Optimax HFCal sont des calorimètres à flux de chaleur à petite échelle qui combinent les avantages d'une station de travail de synthèse et d'un calorimètre de réaction. Ces calorimètres de réaction à petite échelle sont conçus pour examiner la sécurité et l'extrapolation des procédés, et fournir des informations réactionnelles pertinentes très tôt dans le procédé de développement.

Le calorimètre de réaction RC1mx est la référence pour mesurer les profils thermiques, les conversions chimiques et les transferts de chaleur en conditions de production. Le RC1mx est un système moderne dont la pièce maîtresse est le thermostat à haute performance. Le RC1mx permet aux ingénieurs chimistes et aux spécialistes de la sécurité d'optimiser les procédés en toute sécurité, tout en déterminant tous les paramètres des procédés critiques et en réduisant les risques de défaillance à grande échelle.

Les calorimètres de réaction permettent le développement efficace et sûr de procédés à grande échelle.

Lorsqu'une réaction est extrapolée d'un laboratoire vers l'usine, des problèmes peuvent survenir, pour différentes raisons. Dans le pire des cas, des risques de réaction non identifiés peuvent conduire à un emballement de la réaction suivi d'une explosion. Les incidents thermiques sont généralement dus aux causes suivantes :

• Mauvaise compréhension de la réaction chimique ou thermochimique d'un procédé.
• Incapacité à réduire la chaleur
• Procédé de mélange mal compris
• Facteurs humains

Pour éviter ces incidents, il convient d'obtenir les données pertinentes à l'échelle du laboratoire. Grâce aux calorimètres de réaction, les analyses en laboratoire sont effectuées en conditions d'usine, pour que les résultats puissent être directement appliqués aux sites de production à grande échelle.

La calorimétrie réactionnelle permet de parfaitement comprendre les procédés, dans le but d'appliquer les procédures requises de façon routinière, fiable et conforme aux critères de qualité.

Des données exactes et fidèles sur le flux de chaleur sont essentielles pour passer du laboratoire à l'usine. Un système de chauffage et de refroidissement à haute performance combiné à un système sensible de mesure et de contrôle de la température sont des conditions préalables indispensables pour obtenir des informations exactes et fidèles sur la chaleur d'un procédé chimique. Ces informations incluent des détails sur la chaleur de réaction, le bilan du flux de chaleur total, le transfert de masse et de chaleur ainsi que la chaleur spécifique de la masse réactionnelle.

Le bilan du flux de chaleur total d'un procédé chimique comprend lui-même une variété d'effets thermiques, tels que l'accumulation de chaleur, l'échange de chaleur dû à l'ajout de réactifs ou de solvants, la chaleur due au changement de viscosité, la perte de chaleur, etc.

Pour les réactions qui se déroulent dans des conditions de température changeantes, l'accumulation de chaleur devient un facteur important dans le calcul de la chaleur de réaction (chaleur libérée en fonction du temps).

Les calorimètres de réaction METTLER TOLEDO et la suite logicielle iControl utilisent des algorithmes de calcul sophistiqués. Ces outils prennent en compte le comportement dynamique de la paroi du réacteur, les capacités thermiques du réservoir et des inserts du réacteur, fournissant ainsi des données calorimétriques d'une exactitude et d'une fidélité maximales.

Le développement et l'optimisation des processus chimiques nécessitent la détermination de divers types d'informations afin de prendre des décisions correctes. Il est courant de recueillir des données analytiques, par exemple : IR, Raman, distribution de la taille des particules ou encore concentration en ligne et en temps réel. La collecte de données sur la libération de chaleur en ligne et en temps réel est sans aucun doute un grand avantage pour l'étude des procédés chimiques.

Les systèmes de réacteurs qui permettent d'analyser les réactions pour détecter la libération de chaleur en temps réel fournissent un retour d'information instantané sur l'avancement de la réaction et permettent aux utilisateurs de prendre immédiatement des mesures correctives. Les données thermiques en ligne et en temps réel sont souvent utilisées pour contrôler le processus en ajustant les paramètres critiques du procédé, tels que le débit d'addition des réactifs, le contrôle de la pression, la vitesse d'agitation ou tout autre paramètre du procédé.

Avec le réacteur RTCal, le chercheur utilise un outil de technologie de procédé analytique, qui permet de suivre les réactions en ligne et en temps réel. Il fournit de précieuses informations thermiques sur l'évolution de la réaction sans nécessiter de connaissances spécialisées. La technologie RTCal utilise des capteurs de flux de chaleur intégrés au réacteur, qui détectent le flux thermique à travers la paroi du réacteur.

La mesure des données thermiques avec RTCal est indépendante des propriétés ou du comportement de la masse réactionnelle. Il n'est donc pas nécessaire d'effectuer des processus d'étalonnage avant, pendant ou après la réaction, ce qui réduit considérablement la durée de l'expérience.

Chaque fois qu'un procédé nouveau ou modifié doit passer du laboratoire à l'usine, les différents aspects qui peuvent être critiques ou affecter la performance ou le résultat du procédé doivent être étudiés. Dans certains cas, la méthode choisie ne peut pas être extrapolée en raison de matières premières coûteuses ou rares, de conditions difficiles à contrôler dans de grands réservoirs ou de risques potentiels pour la sécurité, et doit donc être modifiée. Il est donc nécessaire d'étudier les variables liées à l'échelle, comme les taux de dosage, le mélange ou le transfert de masse. Cependant, l'un des éléments d'information essentiels pour faire passer un procédé à l'étape de fabrication en toute sécurité est la compréhension de la chaleur totale libérée, du taux de libération de chaleur, de l'accumulation de réactif(s) ou d'énergie ainsi que de la stabilité de la masse réactionnelle et des composants individuels.

Les études de calorimétrie réactionnelle fournissent des preuves des paramètres critiques du procédé et de leur impact sur le procédé, la possibilité de fabrication, le rendement et la qualité du produit ou de l'intermédiaire.

Les réactions chimiques étant influencées par plusieurs paramètres tels que la concentration, le débit d'addition, la température, le solvant, le catalyseur et le pH, l'intégration transparente d'outils d'analyse en ligne ou d'échantillonnage automatisé dans le calorimètre de réaction augmente considérablement la valeur de l'étude.

Des expériences riches en données, comprenant à la fois des informations calorimétriques et analytiques, répondent efficacement aux besoins actuels en développement rapide de procédés sûrs et robustes, et de leur extrapolation efficace du laboratoire à l'usine

La commercialisation de nouveaux produits chimiques et pharmaceutiques requiert des idées innovantes, des chercheurs créatifs et des outils modernes, qui garantissent l'efficacité du processus de développement.

En raison des faibles quantités de matière à disposition, les expériences doivent être menées à petite échelle et les données obtenues doivent être très précises. Il est impératif que les données soient appliquées aux approches statistiques (par exemple les études de plan d'expérimentation), mais les expériences basées sur les procédures classiques sont également fiables, car elles permettent d'évaluer le potentiel d'extrapolation et les problèmes de sécurité potentiels à un stade de développement précoce. Cela permet d'accroître la productivité du développement chimique et garantit également qu'un procédé peut être réalisé de manière sûre et économique à grande échelle.

Les industries chimiques et pharmaceutiques utilisent des procédés complexes pouvant libérer une grande quantité d'énergie. Il est essentiel de bien comprendre et d'évaluer en amont les risques potentiels, pour produire des produits chimiques et pharmaceutiques en toute sécurité.  Pour cela, il faut analyser la thermodynamique de la réaction souhaitée, et celle de la réaction indésirable potentielle.

Le calorimètre de réaction RC1mx vous permet d'obtenir des données fiables afin de calculer en toute confiance les paramètres de sécurité pertinents de la réaction principale. iC Safety transforme vos données expérimentales en informations de sécurité, les associe aux données de la réaction indésirable et évalue le risque thermique (p. ex. accumulation thermique, Δ T adiabatique, MTSR, etc.) sous un format concis et facile à comprendre (p. ex. tableaux, graphiques d'emballement et de criticalité). 

La sécurité des procédés chimiques et les applications connexes utilisant des calorimètres de réaction sont référencées dans de nombreuses publications, notamment :

• 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