Реакционные калориметры

Ученые, занимающиеся химическими и фармацевтическими разработками, используют реакционный калориметр для измерения количества энергии, выделяемой или поглощаемой в ходе химического или физического превращения.

Калориметр состоит из реакционного сосуда выбираемого объема с мешалкой, в котором температура реакционной массы отслеживается и точно регулируется вместе со всеми критическими параметрами процесса.

С помощью реакционного калориметра можно исследовать химические реакции в условиях, подобных производственным, получая полный набор данных о масштабируемости и безопасности процесса.

В зависимости от стадии разработки исследователю может потребоваться дополнительная информация. Дополнительные данные (например, данные ИК-спектрометрии или ВЭЖХ и т. п.) можно накапливать и интегрировать с данными измерений теплового потока.

Реакционная калориметрия позволяет измерить тепловой эффект химической реакции или физического процесса и оценить основные термодинамические и кинетические параметры реакции.

Получаемая информация необходима для оценки изменения тепловыделения химической реакции с течением времени, что важно для обеспечения безопасности при переносе процесса из лабораторных в промышленные условия.

Реакционная калориметрия выявляет неожиданные эффекты, позволяет обнаруживать и количественно оценивать любые проблемы масштабирования. Этот метод также помогает обнаруживать проблемы, связанные с тепломассопереносом или перемешиванием, позволяет определить подходящую температуру, режим перемешивания или дозирования для конкретной реакции или процесса. Полученные данные можно использовать для оценки рисков, определения пределов масштабируемости и критических режимов процесса.

Данные реакционной калориметрии используются для характеристики, оптимизации и изучения параметров процесса в точно регулируемой и воспроизводимой среде, а также для обеспечения безопасного масштабирования и передачи в производство.

Калориметрия теплового потока — самый простой и надежный метод для измерения количества тепла, выделяемого в результате химической реакции или физического процесса. Он поддерживается всеми рабочими станциями реакционной калориметрии МЕТТЛЕР ТОЛЕДО. Метод применим для большинства процессов, отличается высокой чувствительностью и превосходной воспроизводимостью результатов.

Принцип калориметрии теплового потока основан на измерении разности температур между реакционной массой и стенкой реактора. Измеренная разность затем пересчитывается в тепловой поток с помощью калибровочного коэффициента.

Калибровочный коэффициент зависит от теплопроводности и толщины стенки реактора, теплового сопротивления пленки реакционной массы, теплового сопротивления пленки теплоносителя и площади теплообмена. Он определяется с помощью электрического нагревателя.

Метод калориметрии теплового потока применим как в малом, так и в большом масштабе и является основой для всех проектов разработки, масштабирования и контроля безопасности химических процессов.

EasyMax 102 HFCal,EasyMax 402 HFCal и Optimax HFCal — это малогабаритные калориметры, сочетающие достоинства рабочих станций синтеза и реакционных калориметров. Малогабаритные реакционные калориметры предназначены для скрининга безопасности процесса и получения данных о реакции на ранних стадиях разработки.

Реакционный калориметр RC1mx является отраслевым «золотым стандартом» в области изучения тепловых профилей, химической конверсии и теплопереноса в условиях, близких к реальным. Реакционный калориметр RC1mx — это современная аналитическая система, центральное место в которой занимает высокоэффективный термостат. Калориметр RC1mx помогает инженерам-технологам и специалистам по безопасности определять все критические параметры и оптимизировать химические процессы, чтобы снизить риски при масштабировании.

Реакционные калориметры способствуют эффективному и безопасному масштабированию процессов.

При переносе реакции из лаборатории в производство могут возникать проблемы, связанные с изменением масштаба процесса. В худшем случае неизученные риски могут привести к неуправляемой реакции с последующим взрывом. Наиболее частыми причинами термических инцидентов считаются:

• Недостаточное понимание механизма реакции и химической термодинамики процесса
• Недостаточное охлаждение
• Неэффективный или неподходящий режим перемешивания
• Человеческий фактор

Инцидентов можно избежать, уделив внимание сбору и анализу соответствующих данных на этапе лабораторных исследований. Лабораторное исследование с использованием реакционных калориметров выполняется в условиях, приближенных к реальным, поэтому результаты можно экстраполировать на более масштабные процессы.

Реакционная калориметрия обеспечивает глубокое понимание процесса. Необходимые процедуры можно выполнять регулярно, надежно и в соответствии с заданным стандартом качества.

Точные данные о тепловыделении необходимы для перехода от лабораторного к промышленному масштабу. Высокоэффективная система нагрева и охлаждения в сочетании с чувствительной системой измерения и регулирования температуры способствуют получению точной тепловой характеристики химической реакции. Такая характеристика включает сведения о тепловом эффекте реакции, общем балансе теплового потока, массо- и теплопереносе, а также удельной теплоемкости реакционной массы.

Общий тепловой баланс химического процесса складывается из множества тепловых эффектов, таких как накопление тепла, теплообмен при добавлении реагента или растворителя, тепловой эффект, вызванный изменением вязкости, тепловые потери и т. д.

Для процессов, протекающих при переменной температуре, накопление тепла становится важным фактором при расчете теплового эффекта реакции (выделяемое тепло как функция времени).

В реакционных калориметрах и программном пакете iControl МЕТТЛЕР ТОЛЕДО используются сложные алгоритмы расчета. Они учитывают динамические характеристики стенки реактора, теплоемкость корпуса и внутренних элементов реактора, обеспечивая максимальную точность калориметрических данных.

Для принятия правильных решений в ходе разработки и оптимизации химических процессов требуется большой объем данных разного типа. Обычно аналитические данные, такие как ИК-спектры, комбинационное рассеяние, гранулометрический состав или концентрация, получают в режиме реального времени. Несомненно, большую помощь в изучении химических процессов может оказать своевременное получение информации о тепловыделении.

Реакторы, которые позволяют контролировать выделение тепла в режиме реального времени, обеспечивают моментальное получение информации о ходе реакции и оперативное принятие корректирующих мер. Оперативные данные о тепловыделении часто используются для управления процессом путем регулирования его критических параметров, таких как скорость добавления реагентов, давление, интенсивность перемешивания и др.

Реактор RTCal с поддержкой средств технологии анализа процессов (PAT) предназначен для контроля реакций в режиме реального времени. Он предоставляет ценную информацию о тепловом эффекте реакции и не требует от пользователя специальной подготовки. Метод RTCal основан на измерении теплового потока сквозь стенку реактора с помощью встроенных датчиков.

Такой метод измерения не зависит от свойств реакционной массы и происходящих в ней изменений. Калибровка датчиков не требуется ни до, ни после, ни во время измерения, что значительно сокращает длительность эксперимента.

Если требуется перенести новый или модифицированный процесс из лаборатории в производство, необходимо изучить различные аспекты, которые могут иметь решающее значение или повлиять на производительность и результат процесса. В некоторых случаях, когда масштабирование не удается из-за высокой стоимости или дефицита исходных материалов, условий, которые трудно контролировать в больших аппаратах, или потенциальных угроз безопасности, процесс приходится модифицировать. Это требует анализа переменных, зависящих от масштаба, таких как скорость дозирования, режим перемешивания или массоперенос. Однако одним из ключевых факторов, влияющих на безопасность при переносе процесса в производство, является оценка общего количества теплоты, скорости тепловыделения, накопления продуктов (реагентов) или энергии, а также стабильности реакционной массы и ее отдельных компонентов.

Реакционная калориметрия дает представление о критических параметрах и их влиянии на процесс, технологичность, выход и качество конечного или промежуточного продукта.

Непосредственная интеграция в реакционный калориметр аналитических датчиков или средств автоматического отбора проб значительно увеличивает ценность исследования, так как на химические реакции влияют многие параметры, в том числе концентрация, скорость добавления, температура, растворитель, катализатор и значение pH.

Эксперименты с интенсивной обработкой данных, включая калориметрическую и аналитическую информацию, способствуют быстрой разработке безопасных и стабильных процессов и их эффективному переносу из лаборатории на производство.

Чтобы вывести на рынок новый химический или фармацевтический продукт, необходимы творческий подход к исследованиям, инновационные идеи и современные методы, которые повышают эффективность разработки.

Материалов для анализа может быть недостаточно, поэтому эксперименты проводятся с небольшими объемами, однако к точности данных предъявляются высокие требования. Для оценки возможностей масштабирования и выявления потенциальных проблем безопасности на ранней стадии разработки крайне важно, чтобы данные, применяемые для статистического анализа и планирования экспериментов, а также сами эксперименты, основанные на стандартных процедурах, были достоверными. Это позволит повысить эффективность разработки химических процессов и обеспечить безопасное масштабирование при невысоких затратах.

В химической и фармацевтической промышленности часто используются сложные химические процессы с выделением большого количества энергии. Глубокое понимание и всестороннее изучение связанных с ними потенциальных рисков — необходимое условие безопасности химического и фармацевтического производства.  Необходимо изучить термодинамику не только целевой реакции, но и возможных нежелательных реакций.

С помощью реакционного калориметра RC1mx исследователи получают надежные данные для достоверного расчета параметров безопасности основной реакции. Программное обеспечение iC Safety выполняет анализ экспериментальных данных, объединяет эту информацию с характеристиками побочных реакций (накопление тепла, адиабатический рост температуры, максимальная температура реакции синтеза и др.) и представляет сведения в компактном и наглядном виде (таблицы, диаграммы разгона или диаграммы безопасности). 

Безопасность химических процессов и методы ее контроля с использованием реакционных калориметров упоминаются во многих публикациях, в том числе:

• 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