과학자는 반응 역학을 분석하여 폭주 반응 시나리오를 구상하고 이상적인 반응 절차를 수립할 수 있습니다. 화학 프로세스 내 위험 방지 및 평가에 있어 다음과 같이 파라미터 측정, 계산 및 이해가 중요합니다. 이를 통해 과학자는 온도 및 투입 프로필, 농도 또는 최대 작동 온도에 대해 예측할 수 있습니다. 열화학 관점에서의 핵심 정보:
1. 축적
2. 단열 온도 상승
3. 열 용량
4. 반응 엔탈피
5. 열 발생률/반응 열
6. MTSR(합성 반응의 최대 온도)
7. 원하는 반응, 원치 않는 반응, 분해, 열 폭주
축적 열은 일반적으로 반 배치 반응 중 투입되는 즉시 반응하지 않는 물질을 지칭하거나, 열 발생이 열 제거 용량보다 크기 때문에 축적되는 에너지를 지칭합니다.
비반응 원료의 농도가 누적/축적되는 경우 냉각에 실패하면 위험할 수 있습니다. 반응 열량계를 사용해 첨가율과 비교해 열 발생 속도를 측정함으로써 이를 측정할 수 있습니다. 비반응 시약의 농도를 직접 측정하기 위해현장 FTIR 분광기 또한 사용할 수 있습니다.
열 축적은 시스템의 에너지 함량 변화를 설명하며, 이는 열 제거 용량보다 열 발생이 커서 일어나는 데 이로 인해 온도가 변하게 됩니다. 반응 열량계를 통해 열 용량 및 온도 변화를 측정함으로써 실제 반응 열에 대한 도출과 열 축적을 계산할 수 있습니다.
단열 온도 상승은 냉각 실패 또는 기타 프로세스 장애의 잠재적인 심각도를 표시하기 위해 제시된 반응에 대해 계산된 특성입니다. 이는 방출된 총 에너지량(반응 엔탈피), 반응 혼합물의 총 질량 및 시스템의 비열 용량에 좌우됩니다. 이차 반응 또는 분해 반응이 발생할 수 있는 온도로 반응 혼합물을 이끌 수 있는 경우를 파악하는 것이 각별히 중요합니다. 단열 온도 상승은 온도 상승에 대한 ‘최악의 경우’를 간단하게 표시하기 위해 반응 열량계를 사용해 쉽게 계산됩니다. iC Safety에 의해 수행된 것과 같이 보다 정교한 계산을 통해 스케일업 연구 시 더욱 유용한 파라미터인 MSTR(합성 반응의 최대 온도) 등의 관련 파라미터를 도출할 수 있습니다.
물질의 열 용량 또는 비열 용량은 1kg의 물질 온도를 섭씨 1도만큼 올리는 데 필요한 에너지량을 말합니다. 따라서 열 용량의 표준 단위는 kJ/kg.K-1입니다. 이 특성은 열 축적, 단열 온도 상승 및 MTSR 계산에서 직접적인 역할을 합니다. 이는 반응기 함량 특성에 따라 달라지기 때문에 프로세스 안전성 연구의 일환으로 혼합물의 열 용량을 실험상에서 측정해야 합니다. 이는 스케일업과 관련해 작업하는 엔지니어가 이러한 데이터를 환영한다는 추가적인 이점을 제공하는데, 왜냐하면 이러한 과정을 통해 프로세스의 전체 에너지 균형을 계산할 수 있기 때문입니다.
화학 반응의 반응 엔탈피는 화학 반응에 의해 물질이 변형될 때 발생하는 엔탈피 변화입니다. 이는 반응 열량계를 사용해 전체 프로세스에서 얼마나 많은 에너지가 방출되고 어떻게 측정되는지 과학자에게 알려줍니다. 반응에 대한 반응 엔탈피는 시간 경과에 따라 반응 열을 통합함으로써 계산됩니다.
열 발생률 또는 반응 열이 전체 반응 엔탈피와 관련 있지만 시간 함수에서 에너지 방출 방법을 고려합니다. 이는 본질적으로 중요한데, 반응의 총 엔탈피가 중요하지 않을 수 있지만 안전한 프로세스와 위험한 프로세스 간에 에너지 방출 속도가 달라질 수 있기 때문입니다.
반응 열은 반응 시작 및 끝, 잠재적인 반응물 축적, 최대 열 발생, 반응 역학 ,필요한 반응기 냉각 용량 및 동역학과 관련한 중요 정보를 제공합니다. 열 발생 속도는 온도, 투입 속도, 농도, 역학 및 혼합 등 다양한 요소의 영향을 받습니다
열 반응 측정 시 반응기 벽면을 흐르는 에너지 량(qflow), 투입 중 첨가/소모될 수 있는 양(qdos)과 온도 상승으로 인해 축적된 양(qaccu)을 비롯한 전체 열 흐름 균형 관련 지식이 필요합니다. 적분 값은 반응 엔탈피를 나타냅니다.
합성 반응의 최대 온도(MTSR)는 세미 배치 반응기에 대한 프로세스 안전성의 초석 중 하나입니다. 냉각 실패 시 존재하는 비반응 물질의 양으로 인한 냉각 실패 후 온도 발생을 설명합니다. 프로세스 온도로 시작하는 MTSR 계산은 반응 혼합물이 이르게 될 최고 온도를 측정하기 위해 동적으로 수행되며 모든 반응 에너지가 반응기에 남아 있다고 가정합니다(즉, 시스템이 현재 단열 상태이거나 단열 상태가 됨). 반응 열량계는 MTSR, 시약 축적 및 반응 열 측정을 위한 필수 도구입니다. 이러한 특성은 원하는 (합성) 반응에만 관련 있고 이차 또는 분해 반응 효과를 이해하기 위해 추가 실험(시차 주사 열량계, DSC)을 해야 한다는 것이 중요합니다.
열 폭주 또는 열 폭발은 반응 또는 일련의 반응의 단열 프로세스의 결과일 수 있습니다. 이는 발열 반응에 의해 발생한 열이 축적될 때 발생하며 이로 인해 반응 혼합물 온도가 상승하게 됩니다. 이후 반응 속도가 증가하게 되며 열 생성 속도가 증가하게 됩니다.
온도 상승은 반응 질량, 중간체 또는 최종 산물 분해 등의 이차 반응을 일으켜 열 폭주가 발생할 수 있습니다. 적절한 프로세스 안전 연구를 실험실 규모로 수행함으로써 프로세스가 확장되기 전에 열 폭주를 유발하는 조건을 식별 및 방지할 수 있습니다.
원하는 반응뿐만 아니라 잠재적인 원치 않는 반응 모두를 연구하는 것이 매우 중요합니다. 원치 않는 반응은 단열 열량계, 듀어 플라스크 또는 DSC를 사용해 조사하는 반면, 원하는 반응은 일반적으로 반응 열량계를 활용해 연구합니다.
냉각 실패에 대한 이해를 위해 반응 열, 축적, 단열 온도 상승 및 MTSR 등의 핵심 요소를 결정하는 반응 열량계를 사용할 수 있습니다. 사실, 이는 원하는 합성 반응으로 인해 프로세스가 불안정화되어 이차 반응을 초래할 수 있는지 여부를 판별하는 데 사용됩니다.
대부분의 경우 이차 반응은 이 에너지를 안전하게 제거할 능력이 없는 생산 시설에서 원하는 반응에 비해 더 많은 에너지를 방출하고 더 빠르게 반응합니다. 그러므로 잠재적으로 위험한 조건이 발생하지 않게 하거나 항상 프로세스가 안전하게 통제되도록 적절한 조치를 정의할 수 있도록 반응을 설계해야 합니다.
반응 열량계는 높은 정확도로 안전과 관련한 다양한 파라미터를 측정합니다. 정확한 고품질의 열량 측정 데이터를 제공하기 위해서는 용도에 맞게 설계된 시스템을 확보하는 것이 매우 중요합니다.
메틀러 토레도 온도 조정 장치는 고유한 즉각 냉각 원리를 이용하여 빠른 응답과 정확한 제어 기능을 제공함으로써 가장 안전한 최상의 작동 조건을 보장합니다.
사용자 친화적인 고급 소프트웨어와 용도에 맞게 설계된 하드웨어는 비열, 열 전달, 실제 반응 열, 산물 및 열 축적 등의 파라미터가 전체 화학 반응에 걸쳐 정확하게 계산되도록 보장합니다. 이를 통해 화학 엔지니어에게 프로세스 안전 및 스케일업에 대한 필수 데이터를 제공합니다.
