Ngăn chặn các phản ứng hóa học chạy trốn

Phân tích động lực phản ứng cho phép các nhà khoa học mô hình hóa các kịch bản phản ứng chạy trốn và thiết lập quy trình phản ứng lý tưởng. Đo lường, tính toán và hiểu các thông số dưới đây là điều cần thiết để đánh giá và tránh rủi ro trong quá trình hóa học. Điều này cho phép các nhà khoa học đưa ra dự đoán về nhiệt độ và hồ sơ liều lượng, nồng độ hoặc nhiệt độ hoạt động tối đa. Từ quan điểm của nhiệt hóa, thông tin chính là:

1. Tích lũy
2. Tăng nhiệt độ đoạn nhiệt
3. Nhiệt dung
4. Entanpy phản ứng
5. Tốc độ sản xuất nhiệt / nhiệt phản ứng
6. MTSR (Nhiệt độ tối đa của phản ứng tổng hợp)
7. Phản ứng mong muốn, phản ứng không mong muốn , phân hủy, chạy trốn nhiệt

Tích lũy thường đề cập đến vật liệu được định lượng trong phản ứng bán mẻ, không phản ứng ngay lập tức hoặc năng lượng tích lũy do sản xuất nhiệt lớn hơn khả năng loại bỏ nhiệt.

Nếu nồng độ của nguyên liệu thô chưa phản ứng tích tụ hoặc tích tụ, nó sẽ gây nguy hiểm nếu làm mát không thành công. Điều này có thể được đo bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế phản ứng bằng cách xác định tốc độ tạo ra nhiệt, so với tốc độ bổ sung. Cũng có thể sử dụng quang phổ FTIR tại chỗ để đo trực tiếp nồng độ của thuốc thử chưa phản ứng.

Tích lũy nhiệt mô tả sự thay đổi của hàm lượng năng lượng của một hệ thống và được gây ra bởi quá trình sinh nhiệt lớn hơn khả năng loại bỏ nhiệt dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ. Đo nhiệt dung và sự thay đổi nhiệt độ bằng nhiệt lượng kế phản ứng cho phép tính toán tích tụ nhiệt và suy ra nhiệt thực của phản ứng.

Sự gia tăng nhiệt độ đoạn nhiệt là một đặc tính được tính toán cho bất kỳ phản ứng nhất định nào để chỉ ra mức độ nghiêm trọng tiềm ẩn của sự cố làm mát hoặc rối loạn quy trình khác. Nó phụ thuộc vào tổng lượng năng lượng được giải phóng (entanpy phản ứng), tổng khối lượng của hỗn hợp phản ứng và nhiệt dung riêng của hệ thống. Điều đặc biệt quan trọng là phải biết liệu nó có thể đưa hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ có thể xảy ra phản ứng thứ cấp hoặc phản ứng phân hủy hay không. Sự gia tăng nhiệt độ đoạn nhiệt dễ dàng được tính toán bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế phản ứng để đưa ra một dấu hiệu đơn giản 'trường hợp xấu nhất' về sự gia tăng nhiệt độ. Các tính toán phức tạp hơn, chẳng hạn như các tính toán được thực hiện bởi iC Safety, có thể rút ra các thông số liên quan như MTSR (Nhiệt độ tối đa của phản ứng tổng hợp), đây là một thông số hữu ích hơn cho các nghiên cứu mở rộng quy mô.

Nhiệt dung hoặc nhiệt dung riêng của vật liệu mô tả lượng năng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một kg vật liệu lên một độ C. Đơn vị tiêu chuẩn của nhiệt dung do đó là kJ / kg. K-1. Tính chất này đóng một vai trò trực tiếp trong việc tính toán nhiệt tích lũy, nhiệt độ tăng nhiệt và MTSR. Vì nó thay đổi tùy theo bản chất của nội dung lò phản ứng, nên cần phải xác định thực nghiệm nhiệt dung của hỗn hợp như một phần của nghiên cứu an toàn quy trình. Điều này mang lại lợi ích bổ sung là dữ liệu như vậy thường được các kỹ sư làm việc về mở rộng quy mô hoan nghênh vì nó giúp tính toán cân bằng năng lượng tổng thể của quy trình.

Phản ứng entanpy của phản ứng hóa học là sự thay đổi entanpy xảy ra khi các chất được biến đổi bởi phản ứng hóa học. Nó cho nhà khoa học biết tổng cộng có bao nhiêu năng lượng được tiến hóa từ một quá trình và được đo bằng nhiệt lượng kế phản ứng. Entanpy phản ứng của phản ứng được tính bằng cách tích hợp nhiệt của xu hướng phản ứng theo thời gian.

Tốc độ sinh nhiệt hoặc nhiệt phản ứng có liên quan đến entanpy tổng thể của phản ứng nhưng xem xét cách năng lượng được giải phóng theo chức năng của thời gian. Điều này có tầm quan trọng cơ bản, bởi vì tổng entanpy của phản ứng có thể không quan trọng, nhưng tốc độ giải phóng năng lượng đó có thể là sự khác biệt giữa một quá trình an toàn và một quá trình nguy hiểm.

Nhiệt phản ứng cung cấp thông tin quan trọng liên quan đến việc bắt đầu và kết thúc phản ứng, khả năng tích tụ các chất phản ứng, sự tiến hóa nhiệt tối đa, động học phản ứng, công suất làm mát và động học cần thiết của lò phản ứng. Tốc độ tạo ra nhiệt bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm nhiệt độ, tốc độ định lượng, nồng độ, động học và trộn.

Việc xác định nhiệt phản ứng đòi hỏi kiến thức về sự cân bằng dòng nhiệt tổng thể, bao gồm lượng năng lượng chạy qua thành lò phản ứng (qflow), lượng năng lượng có thể được thêm vào / tiêu thụ trong quá trình định lượng (qdos) và lượng tích lũy do tăng nhiệt độ (qaccu). Giá trị tích phân của nó đại diện cho entanpy của phản ứng.

Nhiệt độ tối đa của phản ứng tổng hợp (MTSR) là một trong những nền tảng của an toàn quy trình hóa học đối với lò phản ứng bán mẻ. Nó mô tả sự phát triển nhiệt độ sau khi làm mát bị hỏng do lượng vật liệu chưa phản ứng có mặt tại thời điểm làm mát thất bại. Bắt đầu với nhiệt độ quá trình, việc tính toán MTSR được thực hiện động để xác định nhiệt độ cao nhất mà hỗn hợp phản ứng sẽ đạt được giả định rằng tất cả năng lượng phản ứng vẫn còn trong lò phản ứng (tức là hệ thống đang hoặc trở thành đoạn nhiệt). Nhiệt lượng kế phản ứng là một công cụ thiết yếu để đo nhiệt phản ứng, tích tụ thuốc thử và MTSR. Điều quan trọng cần lưu ý là thuộc tính này chỉ liên quan đến phản ứng (tổng hợp) mong muốn và các quy trình bổ sung (Nhiệt lượng quét vi sai, DSC) cần được thực hiện để hiểu tác động của bất kỳ phản ứng thứ cấp hoặc phân hủy nào tiếp theo.

Một vụ nổ nhiệt hoặc nổ nhiệt có thể là hậu quả của quá trình đoạn nhiệt của một phản ứng hoặc một loạt các phản ứng. Nó xảy ra khi nhiệt sinh ra bởi phản ứng tỏa nhiệt được tích tụ dẫn đến tăng nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng. Sau đó, tốc độ phản ứng tăng lên dẫn đến tốc độ sinh nhiệt tăng lên.

Sự gia tăng nhiệt độ có thể kích hoạt các phản ứng thứ cấp, chẳng hạn như phân hủy khối lượng phản ứng, chất trung gian hoặc sản phẩm cuối cùng dẫn đến thoát nhiệt. Bằng cách tiến hành các nghiên cứu an toàn quy trình thích hợp ở quy mô phòng thí nghiệm, các điều kiện dẫn đến thoát nhiệt có thể được xác định và tránh trước khi quy trình được mở rộng.

Nghiên cứu cả hai, các phản ứng mong muốn cũng như có khả năng không mong muốn là vô cùng quan trọng. Trong khi các phản ứng không mong muốn được nghiên cứu bằng nhiệt lượng kế đoạn nhiệt, bình Dewar hoặc DSC, phản ứng mong muốn thường được nghiên cứu bằng nhiệt lượng kế phản ứng.

Nhiệt lượng kế phản ứng có thể được sử dụng để xác định các yếu tố chính như Nhiệt phản ứng, tích lũy, Tăng nhiệt độ đoạn nhiệt và MTSR để hiểu hậu quả của sự cố làm mát. Trên thực tế, nó được sử dụng để xác định xem phản ứng tổng hợp mong muốn có thể khiến quá trình trở nên không ổn định dẫn đến phản ứng thứ cấp hay không.

Trong hầu hết các trường hợp, phản ứng thứ cấp giải phóng nhiều năng lượng hơn và nhanh hơn phản ứng mong muốn, với cơ sở sản xuất không có khả năng loại bỏ năng lượng này một cách an toàn. Do đó, cần thiết kế phản ứng sao cho các điều kiện nguy hiểm tiềm ẩn không xảy ra, hoặc xác định các biện pháp thích hợp để đảm bảo rằng quá trình luôn được kiểm soát một cách an toàn.

Nhiệt lượng kế phản ứng xác định một loạt các thông số liên quan đến an toàn với độ chính xác cao. Việc sử dụng các hệ thống được thiết kế cho mục đích là rất quan trọng để cung cấp dữ liệu nhiệt lượng chính xác, chất lượng cao.

Bộ điều nhiệt của METTLER TOLEDO được trang bị các nguyên tắc làm mát tức thì độc đáo để cung cấp phản ứng nhanh và kiểm soát chính xác nhằm đảm bảo điều kiện làm việc tốt nhất và an toàn nhất.

Việc sử dụng phần cứng được thiết kế có mục đích, cùng với phần mềm tiên tiến, thân thiện với người dùng đảm bảo rằng các thông số, chẳng hạn như nhiệt dung riêng, truyền nhiệt, nhiệt thực của phản ứng và sự tích tụ của sản phẩm và nhiệt được tính toán chính xác trong toàn bộ phản ứng hóa học. Điều này cung cấp cho các kỹ sư hóa học dữ liệu cần thiết để đảm bảo an toàn quy trình và mở rộng quy mô.