Reakcijska toplota ali reakcijska entalpija je bistveni parameter za varno in uspešno povečanje kemijskih procesov. Reakcijska toplota je energija, ki se sprosti ali absorbira, ko se kemikalije preoblikujejo v kemični reakciji. Opisuje spremembo energijske vsebnosti, ko se reaktanti pretvorijo v produkte. Medtem ko je reakcija lahko eksotermna (sproščanje toplote) ali endotermna (absorpcija toplote), je večina reakcij, ki se izvajajo v kemični in farmacevtski industriji, eksotermnih. Med drugim je reakcijska toplota ena od termodinamičnih lastnosti, ki se uporabljajo pri kemijskem razvoju, povečevanju in varnosti procesov od laboratorijskega obsega do proizvodnje. Toplota reakcije ali reakcijska entalpija se običajno izrazi kot molarna entalpija v kJ/mol ali kot specifična entalpija v kJ/kg ali kJ/L.
Kakšna je toplota reakcije?
Zakaj moram razumeti toploto reakcije?
Že nekaj časa so varnostni vidiki postali bistveni sestavni del razvoja kemičnih procesov, varnostni koncepti pa se rutinsko razvijajo med načrtovanjem pilotnega ali obsežnega procesa. Industrijska združenja in zvezni organi, kot so CSB, OSHA (ZDA), HSE (UK), EU-OSHA, EPSC (EU) ali IPE in državna uprava za varnost pri delu (SAWS) na Kitajskem, zahtevajo, da kemična in farmacevtska industrija upoštevata predpise, ki zagotavljajo varno proizvodnjo. Direktive so se osredotočile na preprečevanje incidentov in nesreč v kemični in farmacevtski industriji.
Za oceno tveganja so potrebni ključni kemijski podatki, ki opisujejo lastnosti snovi, pa tudi informacije o samem postopku. Med drugimi toplotnimi informacijami je reakcijska toplota bistveni parameter, ki ga je mogoče uporabiti za pridobivanje informacij, povezanih z varnimi procesi, in za pridobivanje znanja o varnosti procesov. Gradnja znanja o varnosti procesov pomeni tudi razumevanje želenih in možnih neželenih reakcij. Medtem ko se neželena reakcija nanaša predvsem na prepoznavanje možnih stranskih ali zaporednih reakcij, ki jim lahko sledi pobegla reakcija, preiskava želene reakcije kaže, kako se reakcija obnaša v normalnih pogojih delovanja.
Kopičenje izhodnega materiala, reakcijska toplota, entalpija reakcije in specifična toplota so nekateri ključni parametri, potrebni za ustvarjanje scenarijev okvare hlajenja želene reakcije. Vendar pa naprednejše študije, kot so vrednotenje najslabših možnih scenarijev, razred kritičnosti ali matrika kritičnosti, uporabljajo informacije iz toplote reakcije v enakem obsegu.
Kako izračunate toploto reakcije ali reakcijsko entalpijo?
Reakcijsko toploto lahko izračunamo na podlagi standardne toplote nastajanja vseh vključenih reaktantov. Vendar pa se običajno določi z merjenjem proizvodnje toplote skozi čas z uporabo reakcijskega kalorimetra, kot je kalorimeter toplotnega toka.
Za določanje reakcijske toplote je potrebno poznavanje celotnega ravnovesja toplotnega toka, vključno s pretokom toplote skozi steno reaktorja, količino toplote, ki se izmenja med doziranjem reaktantov ali topil, in toploto, ki se nabira zaradi zvišanja ali znižanja temperature.
Medtem ko hitrost sproščanja toplote in toplota reakcije zagotavljata informacije, kako se toplota sprošča v funkciji časa, se toplota reakcijske entalpije dobi z integracijo toplote reakcijskega trenda med začetkom in koncem reakcije. Ker so vsi posamezni pogoji toplotnega toka pomembni za celotno toplotno bilanco, je treba paziti, da jih določimo čim natančneje.
Toplota reakcije kemijskih reakcij
Ali je moja kemija eksotermna?
Količina reakcijske toplote je odvisna od reaktantov in nastalih produktov in je zato odvisna od moči vezi med atomi, ki so prekinjeni in na novo nastali.
Če je vsota toplote nastajanja reaktantov večja od toplote nastajanja produktov, je reakcija eksotermna ali sprošča toploto.
Z drugimi besedami, toplota reakcije se razlikuje glede na vrsto reakcije in vključene funkcionalne skupine. Medtem ko je reakcijska toplota okoli 50 do 70 kJ / mol za tipično reakcijo esterifikacije, je lahko kar 300 do 600 kJ / mol za reakcije hidrogeniranja nitrospojin.
Reakcije razgradnje (npr. razgradnja eksplozivov) so veliko močnejše od katere koli tipične kemijske reakcije, ki se uporablja v kemični in farmacevtski industriji. Toplota reakcije takšnih reakcij razgradnje, imenovana tudi toplota detonacije, je med 4 in 7,5 MJ / kg materiala.
Medtem ko je toploto reakcije katere koli standardne kemijske reakcije mogoče zlahka določiti v reakcijskem kalorimetru, se toplota reakcij razgradnje določi z uporabo matematičnih modelov ali z opremo, kot so diferencialni presejalni kalorimetri (DSC), bombni kalorimetri ali tako imenovani detonacijski kalorimetri.
Reakcijska toplota v primerjavi s hitrostjo sproščanja toplote
Dosledni podatki, ki podpirajo varno širitev
Reakcijska toplota opisuje izmenjavo skupne količine energije, ko se reaktanti pretvorijo v produkte. Vendar pa hitrost sproščanja toplote upošteva, kako se energija sprosti kot funkcija časa in je izražena v W ali J/s.
To je temeljnega pomena, ker skupna entalpija reakcije morda ni kritična, vendar lahko hitrost, s katero se ta energija sprošča, naredi razliko med varnim in nevarnim procesom.
Večina šaržnih ali polšaržnih reaktorjev v proizvodnji lahko odstrani med 25 in 35 W / L, odvisno od velikosti in koncepta hlajenja. Zato mora biti hitrost sproščanja toplote kemičnega procesa zasnovana tako, da je v določenem območju hitrosti proizvodnje toplote, da se zagotovi varno izvajanje reakcije, ne glede na skupno toploto reakcije.
Vrednost reakcijske toplote v procesni varnosti
Količina reakcijske toplote je neposredno povezana z resnostjo v primeru nesreče in je še posebej uporabna pri ocenjevanju reakcij, povečanju obsega in izračunih, povezanih z varnostjo procesa.
Med preiskavami varnosti procesa se reakcijska toplota uporablja za izračun tako imenovanega adiabatnega povečanja temperature in posledično najvišje temperature sintezne reakcije (MTSR). Adiabatno povišanje temperature (ΔTad) je funkcija količine nakopičenega vhodnega materiala, reakcijske entalpije, količine reakcijske mase in specifične toplote reakcijske mase. Opisuje teoretično povečanje temperature reakcijske mase ob predpostavki, da se del ali celotna reakcija izvaja adiabatno zaradi okvare hlajenja naprave. V takem primeru se bo temperatura vsebine reaktorja povečala sorazmerno s pretvorbo nereagiranega materiala. Posledično se bo procesna temperatura povečala, tako da ΔTad doseže MTSR.
Tehnologija za reakcijsko toploto
Zagotovite varnost z zasnovo
Že več kot 30 let je RC1 zlati standard v reakcijski kalorimetriji; RC1 je instrument, ki mu lahko zaupate. RC1mx gradi na svojih predhodnikih z dodajanjem ravni udobja za hitrejši razvoj bolje optimiziranih, robustnejših in ekonomsko izvedljivih procesov.
- Razumevanje vašega procesa
Hitro in natančno določite termodinamične podatke v izotermičnih ali neizotermičnih pogojih. - Kalorimetrija toplotnega toka – preprosto zanesljiva
Imuna in robustna proti zunanjim vplivom, kalorimetrija toplotnega toka omogoča natančno in natančno merjenje razvoja toplote v procesnih pogojih. - Izmerite pravo toploto reakcije
Merjenje prave toplote reakcije je osnova za razumevanje napredka kemijskih reakcij, njihove kinetike in potenciala nevarnosti.
Toplotna pretvorba v primerjavi s kemično pretvorbo reakcije
Toplotna pretvorba je pomembna informacija za razvoj kemijskega procesa in opisuje razmerje med delno reakcijsko toploto kot funkcijo časa in skupno reakcijsko toploto. Izračun toplotne pretvorbe temelji izključno na toploti, ki se sprosti med reakcijo, v nasprotju s kemično pretvorbo, ki temelji na kemijski pretvorbi reaktantov v produkte.
Medtem ko je toplotna pretvorba na koncu reakcije vedno 100 %, je lahko kemična pretvorba nižja in se spreminja glede na izbiro procesnih parametrov. Cilj kemijskega razvoja je doseči najvišjo možno pretvorbo reaktantov, kar ima za posledico največji možni donos.
Reakcijska kalorimetrija v kombinaciji z analizo v realnem času, kot je FTIR spektroskopija in situ , je idealna metoda za preučevanje napredka kemijske reakcije, pretvorbe reaktantov, tvorbe produktov, stranskih proizvodov in intermediatov, medtem ko merimo termodinamične informacije, kot so toplota reakcije, toplotni tok, specifična toplota ali prenos toplote hkrati.
Študija reakcijske kalorimetrije vodi do prihrankov pri kapitalu in stroških
Zahvaljujoč informacijam, pridobljenim iz RC1 (npr. reakcijska toplota, toplotna zmogljivost in hitrost proizvodnje toplote), je bil uveljavljen, a zahteven proces optimiziran in izveden v velikem obsegu v zelo kratkem času. Optimizacija je prihranila približno 70.000 dolarjev, ker pilotna faza ni bila potrebna. Poleg tega bi lahko zaradi cenejše opreme in večje velikosti serije ustvarili letne prihranke v višini 50.000 dolarjev pri proizvodnih stroških.
Oba koraka sinteze indola, sintezo fenilhidrazona, ki ji je sledilo zaprtje Fischerjevega obroča, sta bila raziskana v reakcijskem kalorimetru RC1.
Glavni poudarek raziskave je bil na hitrosti sproščanja toplote, reakcijski toploti in prenosu toplote ter vplivu reakcijske temperature, v poznejši fazi pa na hitrost odmerjanja na zgornje informacije. Na podlagi eksperimentalnih podatkov je bilo mogoče oceniti temperaturo in režim odmerjanja ter čas in hlajenje, ki je potrebna za delovanje v reaktorju elektrarne. Dejstvo, da je bilo mogoče obstoječi postopek spremeniti tako, da bi postal praktično nadzorovan z odmerjanjem, je izboljšalo tudi varnost v proizvodnem obsegu, kar je bistveno odpravilo potrebo po dragih varnostnih ukrepih.
Pospešite razvoj procesov z Dynochem
Zagotovite učinkovito mešanje in prenos toplote pri povečanju obsega
Uporabite modeliranje Dynochem, da zagotovite učinkovito mešanje in prenos toplote pri povečanju reakcij. Dynochem omogoča hitro primerjavo laboratorijskih, pilotnih in proizvodnih reaktorjev ter iskanje ustreznih parametrov mešanja za varno pospešitev prenosa procesa od reaktorja do reaktorja. S podatki, pridobljenimi z reakcijsko kalorimetrijo in modeliranjem Dynochem, hitro zagotovite varnost kemičnih procesov in učinkovitost procesov v vseh merilih.
Publikacije
Reakcijska toplota v publikacijah, povezanih z industrijo
Spodaj je izbor publikacij, ki obravnavajo toploto reakcije ali reakcijsko entalpijo.
- Agosti, A., Bertolini, G., Bruno, G., Lautz, C., Glarner, T., & Deichtmann, W. (2017). Ravnanje z oksidacijami vodikovega peroksida v velikem obsegu: sinteza 5-bromo-2-nitropiridina. Raziskave in razvoj organskih procesov, 21(3), 451–459. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00433
- Changi, SM in Wong, SW (2016). Kinetični model za načrtovanje Grignardovih reakcij v šaržnih ali pretočnih operacijah. Raziskave in razvoj organskih procesov, 20(2), 525–539. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00281
- Glotz, G., Knoechel, D. J., Podmore, P., Gruber-Woelfler, H., & Kappe, C. O. (2017). Reakcijska kalorimetrija v mikroreaktorskih okoljih - Merjenje toplote reakcije z izotermično kalorimetrijo toplotnega toka. Raziskave in razvoj organskih procesov, 21(5), 763–770. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00092
- Lakshminarasimhan, T. (2014). Napovedovanje 24 in 8 urne temperature adiabatne razgradnje za nizkotemperaturne reakcije s kinetičnim prilagajanjem neizotermičnih toplotnih podatkov iz reakcijskega kalorimetra (RC1e). Raziskave in razvoj organskih procesov, 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). Razvoj strategije, ki temelji na modeliranju, za varno in učinkovito povečanje visokoenergetskih reakcij hidrogeniranja. Raziskave in razvoj organskih procesov, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
- Wang, J., Huang, Y., Wilhite, BA, Papadaki, M., & Mannan, MS (2018). Za identifikacijo okrepljenih reakcijskih pogojev z uporabo metodologije odzivne površine: študija primera o sintezi N-oksida 3-metilpiridina. Raziskave industrijske in inženirske kemije, 58(15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
Podobni izdelki
Reakcijski kalorimetri
Reakcijski kalorimetri merijo količino energije, ki se sprosti ali absorbira s kemično ali fizikalno reakcijo v kemijskem in farmacevtskem razvoju.
FTIR in Ramanovi spektrometri
FTIR in Ramanovi spektrometri na kraju samem omogočajo spremljanje v realnem času za zagotavljanje kritičnih informacij za optimizacijo kemičnih spojin.
Avtomatizirani sistemi vzorčenja
Vzemite zanesljive analitske vzorce v vrstici, ugasnite in situ in razredčite za ponovljive analitske vzorce iz skoraj vseh kemijskih reakcij.
Reaktorji za kemično sintezo
Povečajte produktivnost v svojem LAB-u z reaktorji za kemično sintezo, ki imajo vgrajena orodja za avtomatizacijo.
Pressure Reactors
Many applications, including hydrogenations, chlorinations, and hydroformylations, require elevated operating pressure. The use of a pressure controller or gas uptake set permits m...
iC Software Suite
In-situ chemical reaction analysis software enables better decision-making and improves the productivity of chemists and scientists.
Razširjena zbirka
Vodilna svetovna programska oprema za razvoj procesov in povečanje za znanstvenike in inženirje.