Förhindra skenande kemiska reaktioner

Att analysera reaktionsdynamik gör det möjligt för forskare att modellera skenande reaktionsscenarier och fastställa den idealiska reaktionsproceduren. Att mäta, beräkna och förstå parametrarna nedan är viktigt för att bedöma och undvika risker i en kemisk process. Detta gör det möjligt för forskare att göra förutsägelser om temperatur och doseringsprofiler, koncentrationer eller maximal driftstemperatur. Ur termokemins synvinkel är den viktigaste informationen:

1. Ackumulering
2. Adinabatisk temperaturhöjning
3. Värmekapacitet
4. Reaktionsentalpi
5. Värmeproduktionshastighet/reaktionsvärme
6. MTSR (maximal temperatur för syntesreaktionen)
7. Önskad reaktion, oönskad reaktion, nedbrytning, termisk rusning

Ackumulation avser vanligtvis antingen material som doseras under en semi-batchreaktion, som inte reagerar direkt, eller energi som ackumuleras eftersom värmeproduktionen är större än värmeborttagningskapaciteten.

Om koncentrationen av oreagerat råmaterial byggs upp eller ackumuleras utgör det en fara om kylningen misslyckas. Detta kan mätas med hjälp av en reaktionskalorimeter genom att bestämma hastigheten med vilken värme genereras, jämfört med hastigheten för tillsatsen. Det är också möjligt att använda in situ FTIR-spektroskopi för att direkt mäta koncentrationen av det oreagerade reagenset.

Termisk ackumulering beskriver variationen av energiinnehållet i ett system och orsakas av att värmeproduktionen är större än värmebortledningskapaciteten, vilket resulterar i en temperaturförändring. Genom att mäta värmekapaciteten och temperaturförändringen med en reaktionskalorimeter kan man beräkna den termiska ackumuleringen och härledningen av den verkliga reaktionsvärmen.

Den adiabatiska temperaturökningen är en egenskap som beräknas för en given reaktion för att indikera den potentiella svårighetsgraden av ett kylningsfel eller annan processstörning. Det beror på den totala mängden energi som frigörs (reaktionsentalpi), den totala massan av reaktionsblandningen och systemets specifika värmekapacitet. Det är särskilt viktigt att veta om det kan bringa reaktionsblandningen till en temperatur där en sekundär reaktion eller nedbrytningsreaktion kan inträffa. Den adiabatiska temperaturökningen beräknas enkelt med hjälp av en reaktionskalorimeter för att ge en enkel "värsta" indikation på temperaturökningen. Mer sofistikerade beräkningar, som de som utförs av iC Safety, kan härleda relaterade parametrar som MTSR (Maximum Temperature of the Synthesis Reaction) som är en mer användbar parameter för uppskalningsstudier.

Värmekapacitet eller specifik värmekapacitet hos ett material beskriver den mängd energi som krävs för att öka temperaturen på ett kilo av materialet med en grad Celsius. Standardenheten för värmekapaciteten är således kJ/kg. K-1. Denna egenskap spelar en direkt roll i beräkningen av den ackumulerade värmen, den adiabatiska temperaturökningen och MTSR. Eftersom den varierar beroende på reaktorinnehållets karaktär är det nödvändigt att experimentellt bestämma blandningens värmekapacitet som en del av processäkerhetsstudien. Detta ger den ytterligare fördelen att sådana data vanligtvis välkomnas av ingenjörer som arbetar med uppskalning eftersom det hjälper till att beräkna den totala energibalansen i processen.

Reaktionsentalpi för en kemisk reaktion är den entalpiförändring som uppstår när ämnen omvandlas genom en kemisk reaktion. Den talar om för forskaren hur mycket energi som utvecklas från en process totalt och mäts med hjälp av en reaktionskalorimeter. Reaktionens entalpi beräknas genom att integrera reaktionsvärmens trend över tiden.

Värmeproduktionshastigheten eller reaktionsvärmen är relaterad till reaktionens totala entalpi men tar hänsyn till hur energin frigörs i funktion av tiden. Detta är av grundläggande betydelse, eftersom reaktionens totala entalpi kanske inte är kritisk, men hastigheten med vilken den energin frigörs kan vara skillnaden mellan en säker process och en farlig.

Reaktionsvärmen ger viktig information om start och slut av reaktionen, eventuell ackumulering av reaktanter, den maximala värmeutvecklingen, reaktionskinetiken och den nödvändiga reaktorkylningskapaciteten och kinetiken. Hastigheten med vilken värme produceras påverkas av flera faktorer, inklusive temperatur, doseringshastighet, koncentration, kinetik och blandning.

Bestämningen av reaktionsvärmen kräver kunskap om den totala värmeflödesbalansen, inklusive mängden energi som strömmar genom reaktorväggen (qflow), den mängd som kan tillsättas/förbrukas under doseringen (qdos) och den mängd som ackumuleras på grund av temperaturökning (qaccu). Dess integralvärde representerar reaktionens entalpi.

Den maximala temperaturen för syntesreaktionen (MTSR) är en av hörnstenarna i kemisk processäkerhet för en semi-batchreaktor. Den beskriver temperaturutvecklingen efter ett kylfel på grund av mängden oreagerat material som fanns vid tidpunkten för kylningsfelet. Med utgångspunkt från processtemperaturen utförs beräkningen av MTSR dynamiskt för att bestämma den högsta temperatur som reaktionsblandningen kommer att uppnå, förutsatt att all reaktionsenergi stannar kvar i reaktorn (dvs. systemet är eller blir adiabatiskt). Reaktionskalorimetern är ett viktigt verktyg för mätning av reaktionsvärmen, reagensackumuleringen och MTSR. Det är viktigt att notera att denna egenskap endast gäller den önskade (syntes)reaktionen, och ytterligare procedurer (Differential Scanning Calorimetry, DSC) måste utföras för att förstå effekterna av eventuella efterföljande sekundära reaktioner eller nedbrytningsreaktioner.

En termisk rusning eller termisk explosion kan vara följden av en adiabatisk process av en reaktion eller serie av reaktioner. Det inträffar när värme som produceras av en exoterm reaktion ackumuleras, vilket leder till en ökning av temperaturen på reaktionsblandningen. Därefter ökar reaktionshastigheten vilket leder till en ökad värmeutveckling.

Temperaturökningen kan utlösa sekundära reaktioner, såsom nedbrytning av reaktionsmassan, intermediärerna eller slutprodukten som leder till en termisk rusning. Genom att genomföra ordentliga processäkerhetsstudier i laboratorieskala kan de förhållanden som leder till termisk rusning identifieras och undvikas innan processen skalas upp.

Genom att studera både de önskade och potentiellt oönskade reaktionerna är det av yttersta vikt. Medan de oönskade reaktionerna undersöks med hjälp av adiabatiska kalorimetrar, Dewar-kolvar eller DSC, studeras den önskade reaktionen vanligtvis med en reaktionskalorimeter.

Reaktionskalorimetern kan användas för att bestämma nyckelfaktorer som reaktionsvärmen, ackumuleringen, den adiabatiska temperaturökningen och MTSR för att förstå konsekvensen av ett kylfel. Faktum är att det används för att bestämma om den önskade syntesreaktionen kan få processen att bli instabil vilket leder till en sekundär reaktion.

I de flesta fall frigör den sekundära reaktionen mer energi och snabbare än den önskade reaktionen, och produktionsanläggningen kan inte ta bort denna energi på ett säkert sätt. Därför är det nödvändigt att utforma reaktionen så att potentiellt farliga förhållanden inte kan uppstå, eller att definiera lämpliga åtgärder för att säkerställa att processen alltid är under kontroll på ett säkert sätt.

Reaktionskalorimetrar bestämmer en rad säkerhetsrelaterade parametrar med hög noggrannhet. Användningen av system som är utformade för ändamålet är avgörande för att leverera exakta kalorimetriska data av hög kvalitet.

METTLER TOLEDOs termostater är utrustade med unika principer för omedelbar kylning för att ge snabb respons och exakt styrning för att garantera de bästa och säkraste arbetsförhållandena.

Användningen av specialdesignad hårdvara, tillsammans med avancerad, användarvänlig programvara, säkerställer att parametrar, såsom specifik värme, värmeöverföring, den verkliga reaktionsvärmen och ackumuleringen av produkt och värme beräknas exakt under hela den kemiska reaktionen. Detta ger kemiingenjörer viktiga data för processäkerhet och uppskalning.