Preprečite kemične reakcije

Analiza reakcijske dinamike omogoča znanstvenikom, da modelirajo scenarije pobegle reakcije in vzpostavijo idealen reakcijski postopek. Merjenje, izračun in razumevanje spodnjih parametrov so bistvenega pomena za oceno in preprečevanje tveganja v kemičnem procesu. To znanstvenikom omogoča, da napovedujejo temperaturo in odmerne profile, koncentracije ali najvišjo delovno temperaturo. Z vidika termokemije so ključne informacije:

1. Kopičenje
2. Adiabatni dvig temperature
3. Toplotna zmogljivost
4. Reakcijska entalpija
5. Hitrost proizvodnje toplote / reakcijska toplota
6. MTSR (najvišja temperatura sintezne reakcije)
7. Želena reakcija, neželena reakcija, razgradnja, toplotni pobeg

Akumulacija se običajno nanaša na material, ki se dozira med polšaržno reakcijo, ki ne reagira takoj, ali na energijo, ki se akumulira, ker je proizvodnja toplote večja od zmogljivosti odstranjevanja toplote.

Če se koncentracija nereagirane surovine kopiči ali kopiči, predstavlja nevarnost, če hlajenje ne uspe. To se lahko izmeri z reakcijskim kalorimetrom z določitvijo hitrosti, s katero se proizvaja toplota, v primerjavi s hitrostjo dodajanja. Prav tako je mogoče uporabiti FTIR spektroskopijo in situ za neposredno merjenje koncentracije nereagiranega reagenta.

Toplotna akumulacija opisuje spremembo energijske vsebine sistema in je posledica tega, da je proizvodnja toplote večja od zmogljivosti odstranjevanja toplote, kar povzroči spremembo temperature. Merjenje toplotne zmogljivosti in spremembe temperature z reakcijskim kalorimetrom omogoča izračun toplotne akumulacije in izpeljavo dejanske toplote reakcije.

Adiabatni dvig temperature je lastnost, ki se izračuna za vsako reakcijo, da pokaže potencialno resnost okvare hlajenja ali druge motnje procesa. To je odvisno od skupne količine sproščene energije (reakcijska entalpija), skupne mase reakcijske zmesi in specifične toplotne zmogljivosti sistema. Še posebej pomembno je vedeti, ali lahko reakcijsko zmes pripelje na temperaturo, kjer bi lahko prišlo do sekundarne reakcije ali reakcije razgradnje. Dvig adiabatne temperature se zlahka izračuna z uporabo reakcijskega kalorimetra , da se dobi preprost "najslabši možni" prikaz zvišanja temperature. Bolj izpopolnjeni izračuni, kot so tisti, ki jih izvaja iC Safety, lahko izpeljejo sorodne parametre, kot je MTSR (najvišja temperatura sintezne reakcije), ki je bolj uporaben parameter za študije povečanja.

Toplotna zmogljivost ali specifična toplotna zmogljivost materiala opisuje količino energije, ki je potrebna za povečanje temperature enega kilograma materiala za eno stopinjo Celzija. Standardna enota toplotne zmogljivosti je torej kJ/kg. K-1. Ta lastnost ima neposredno vlogo pri izračunu akumulirane toplote, adiabatnega dviga temperature in MTSR. Ker se razlikuje glede na naravo vsebine reaktorja, je treba v okviru študije o varnosti procesa eksperimentalno določiti toplotno zmogljivost mešanice. To daje dodatno korist, da inženirji, ki delajo na povečanju, običajno pozdravljajo takšne podatke, saj pomagajo izračunati celotno energetsko bilanco procesa.

Reakcijska entalpija kemijske reakcije je sprememba entalpije, ki se pojavi, ko se snovi preoblikujejo s kemično reakcijo. Znanstveniku pove, koliko energije se razvije iz procesa in se meri z reakcijskim kalorimetrom. Reakcijska entalpija reakcije se izračuna z integracijo toplote reakcijskega trenda skozi čas.

Hitrost proizvodnje toplote ali reakcijska toplota je povezana s celotno entalpijo reakcije, vendar upošteva, kako se energija sprosti v funkciji časa. To je temeljnega pomena, ker skupna entalpija reakcije morda ni kritična, vendar je hitrost, s katero se ta energija sprošča, lahko razlika med varnim in nevarnim procesom.

Reakcijska toplota zagotavlja bistvene informacije o začetku in koncu reakcije, možnem kopičenju reaktantov, največjem toplotnem razvoju, kinetiki reakcije ter potrebni zmogljivosti in kinetiki hlajenja reaktorja. Na hitrost proizvodnje toplote vpliva več dejavnikov, vključno s temperaturo, hitrostjo odmerjanja, koncentracijo, kinetiko in mešanjem.

Za določanje reakcijske toplote je potrebno poznavanje celotne bilance toplotnega toka, vključno s količino energije, ki teče skozi steno reaktorja (qflow), količino, ki se lahko doda/porabi med odmerjanjem (qdos), in količino, ki se nabere zaradi povišanja temperature (qaccu). Njegova integralna vrednost predstavlja entalpijo reakcije.

Najvišja temperatura sintezne reakcije (MTSR) je eden od temeljev varnosti kemičnih procesov za polšaržni reaktor. Opisuje temperaturni razvoj po okvari hlajenja zaradi količine nereagiranega materiala, ki je bil prisoten v času okvare hlajenja. Začenši s procesno temperaturo, se izračun MTSR izvede dinamično, da se določi najvišja temperatura, ki jo bo reakcijska zmes dosegla, ob predpostavki, da vsa reakcijska energija ostane v reaktorju (tj. Sistem je ali postane adiabaten). Reakcijski kalorimeter je bistveno orodje za merjenje toplote reakcije, kopičenja reagenta in MTSR. Pomembno je omeniti, da se ta lastnost nanaša samo na želeno (sintezno) reakcijo in da je treba izvesti dodatne postopke (diferencialna skeniralna kalorimetrija, DSC), da bi razumeli učinke vseh nadaljnjih sekundarnih reakcij ali reakcij razgradnje.

Toplotni pobeg ali toplotna eksplozija je lahko posledica adiabatnega procesa reakcije ali niza reakcij. Pojavi se, ko se nabira toplota, ki jo proizvaja eksotermna reakcija, kar vodi do zvišanja temperature reakcijske zmesi. Nato se hitrost reakcije poveča, kar vodi do povečane hitrosti nastajanja toplote.

Povišanje temperature lahko sproži sekundarne reakcije, kot je razgradnja reakcijske mase, intermediatov ali končnega produkta, ki vodi do toplotnega pobega. Z izvajanjem ustreznih študij varnosti procesa na laboratorijski ravni je mogoče ugotoviti pogoje, ki vodijo do toplotnega pobega, in se jim izogniti, preden se postopek poveča.

Preučevanje obeh želenih in potencialno neželenih reakcij je izrednega pomena. Medtem ko se neželene reakcije raziskujejo z uporabo adiabatnih kalorimetrov, Dewarjevih bučk ali DSC, se želena reakcija običajno preučuje z reakcijskim kalorimetrom.

Reakcijski kalorimeter se lahko uporablja za določanje ključnih dejavnikov, kot so toplota reakcije, akumulacija, adiabatni dvig temperature in MTSR, da bi razumeli posledice okvare hlajenja. Pravzaprav se uporablja za ugotavljanje, ali bi želena reakcija sinteze lahko povzročila, da proces postane nestabilen, kar vodi do sekundarne reakcije.

V večini primerov sekundarna reakcija sprosti več energije in hitreje kot želena reakcija, pri čemer proizvodni obrat te energije ne more varno odstraniti. Zato je treba reakcijo načrtovati tako, da ne morejo nastopiti potencialno nevarne razmere, ali opredeliti ustrezne ukrepe za zagotovitev, da proces ves čas varno ostane pod nadzorom.

Reakcijski kalorimetri z visoko natančnostjo določajo vrsto varnostnih parametrov. Uporaba namenskih sistemov je ključnega pomena za zagotavljanje natančnih in visokokakovostnih kalorimetričnih podatkov.

Termostati METTLER TOLEDO so opremljeni z edinstvenimi načeli takojšnjega hlajenja, ki zagotavljajo hiter odziv in natančen nadzor ter zagotavljajo najboljše in najvarnejše delovne pogoje.

Uporaba namensko zasnovane strojne opreme skupaj z napredno, uporabniku prijazno programsko opremo zagotavlja, da se parametri, kot so specifična toplota, prenos toplote, resnična toplota reakcije in kopičenje produkta in toplote, natančno izračunajo skozi celotno kemijsko reakcijo. To kemijskim inženirjem zagotavlja bistvene podatke za varnost procesov in povečanje.