Nhiệt phản ứng, hoặc entanpy phản ứng, là một thông số cần thiết để mở rộng quy mô hóa học một cách an toàn và thành công. Nhiệt phản ứng là năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ khi hóa chất được biến đổi trong phản ứng hóa học. Nó mô tả sự thay đổi hàm lượng năng lượng khi các chất phản ứng được chuyển đổi thành sản phẩm. Trong khi một phản ứng có thể là tỏa nhiệt (giải phóng nhiệt) hoặc thu nhiệt (hấp thụ nhiệt), hầu hết các phản ứng được thực hiện trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm là tỏa nhiệt. Trong số những đặc tính khác, nhiệt phản ứng là một trong những đặc tính nhiệt động lực học được sử dụng trong phát triển hóa học, mở rộng quy mô và an toàn để mở rộng quy trình từ quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất. Nhiệt của phản ứng hoặc entanpy phản ứng thường được biểu thị dưới dạng entanpy mol tính bằng kJ / mol, hoặc dưới dạng entanpy cụ thể tính bằng kJ / kg hoặc kJ / L.
Nhiệt phản ứng là gì?
Tại sao tôi cần hiểu nhiệt của phản ứng?
Trong một thời gian khá dài, các cân nhắc về an toàn đã trở thành một thành phần thiết yếu của quá trình phát triển quy trình hóa chất và các khái niệm an toàn thường được phát triển trong khi thiết kế quy trình thí điểm hoặc quy mô lớn. Các hiệp hội công nghiệp và cơ quan liên bang, chẳng hạn như CSB, OSHA (MỸ), HSE (ANH), EU-OSHA, EPSC (EU) hoặc IPE và Cục Quản lý An toàn Lao động Nhà nước (SAWS) ở Trung Quốc, yêu cầu các ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm tuân thủ các quy định đảm bảo sản xuất an toàn. Các chỉ thị được cung cấp tập trung vào việc tránh các sự cố và tai nạn trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm.
Đánh giá rủi ro yêu cầu dữ liệu hóa học quan trọng mô tả các đặc tính của các chất, nhưng cũng có thông tin về chính quá trình. Trong số các thông tin nhiệt khác, nhiệt phản ứng là một thông số thiết yếu có thể được sử dụng để thu thập thông tin liên quan đến các quy trình an toàn và xây dựng kiến thức về an toàn quy trình. Xây dựng kiến thức về an toàn quy trình cũng có nghĩa là hiểu cả các phản ứng mong muốn và không mong muốn có thể xảy ra. Trong khi phản ứng không mong muốn chủ yếu liên quan đến việc xác định các phản ứng phụ hoặc liên tiếp có thể xảy ra sau đó là phản ứng chạy trốn, việc điều tra phản ứng mong muốn cho thấy phản ứng hoạt động như thế nào trong điều kiện hoạt động bình thường.
Sự tích tụ của vật liệu ban đầu, nhiệt phản ứng, entanpy của phản ứng và nhiệt dung riêng là một số thông số chính cần thiết để tạo ra các kịch bản thất bại làm mát của phản ứng mong muốn. Tuy nhiên, các nghiên cứu nâng cao hơn, chẳng hạn như đánh giá các kịch bản xấu nhất, cấp tới hạn hoặc ma trận tới hạn, sử dụng thông tin từ nhiệt phản ứng ở mức độ tương tự.
Làm thế nào để bạn tính toán nhiệt của phản ứng hoặc entanpy phản ứng?
Nhiệt phản ứng có thể được tính toán dựa trên nhiệt độ hình thành tiêu chuẩn của tất cả các chất phản ứng liên quan. Tuy nhiên, nó thường được xác định bằng cách đo sản xuất nhiệt theo thời gian bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế phản ứng, chẳng hạn như nhiệt lượng kế lưu lượng nhiệt.
Việc xác định nhiệt phản ứng đòi hỏi kiến thức về sự cân bằng dòng nhiệt tổng thể, bao gồm lưu lượng nhiệt qua thành lò phản ứng, lượng nhiệt được trao đổi trong quá trình định lượng chất phản ứng hoặc dung môi và nhiệt tích tụ do nhiệt độ tăng hoặc giảm.
Trong khi tốc độ giải phóng nhiệt và nhiệt phản ứng cung cấp thông tin cách nhiệt được giải phóng theo chức năng của thời gian, nhiệt của entanpy phản ứng thu được bằng cách tích hợp nhiệt của xu hướng phản ứng giữa bắt đầu và kết thúc phản ứng. Vì tất cả các thuật ngữ dòng nhiệt riêng lẻ đều có liên quan đến cân bằng nhiệt tổng thể, nên phải cẩn thận để xác định chúng chính xác nhất có thể.
Nhiệt phản ứng của các phản ứng hóa học
Hóa học của tôi có ngoại nhiệt không?
Lượng nhiệt phản ứng phụ thuộc vào các chất phản ứng và các sản phẩm được hình thành và do đó là một hàm của độ bền của các liên kết giữa các nguyên tử bị đứt và mới hình thành.
Nếu tổng nhiệt hình thành các chất phản ứng lớn hơn nhiệt hình thành các sản phẩm, phản ứng là ngoại nhiệt hoặc giải phóng nhiệt.
Nói cách khác, nhiệt phản ứng thay đổi theo loại phản ứng và các nhóm chức liên quan. Trong khi nhiệt phản ứng là khoảng 50 đến 70 kJ / mol đối với phản ứng este hóa điển hình, nó có thể lên tới 300 đến 600 kJ / mol đối với phản ứng hydro hóa của các hợp chất nitro.
Phản ứng phân hủy (ví dụ: phân hủy chất nổ) mạnh hơn nhiều so với bất kỳ phản ứng hóa học điển hình nào được áp dụng trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm. Nhiệt phản ứng của các phản ứng phân hủy như vậy, còn được gọi là nhiệt kích nổ, là từ 4 đến 7,5 MJ / kg vật liệu.
Mặc dù nhiệt phản ứng của bất kỳ phản ứng hóa học tiêu chuẩn nào có thể dễ dàng được xác định trong nhiệt lượng kế phản ứng, nhưng nhiệt của các phản ứng phân hủy được xác định bằng cách sử dụng các mô hình toán học hoặc bằng thiết bị, chẳng hạn như nhiệt lượng kế sàng lọc vi sai (DSC), nhiệt lượng kế bom hoặc cái gọi là nhiệt lượng kế kích nổ.
Nhiệt phản ứng so với tốc độ giải phóng nhiệt
Dữ liệu nhất quán hỗ trợ mở rộng quy mô an toàn
Nhiệt phản ứng mô tả sự trao đổi của tổng lượng năng lượng khi các chất phản ứng được chuyển đổi thành sản phẩm. Tuy nhiên, tốc độ giải phóng nhiệt xem xét cách năng lượng được giải phóng như một hàm của thời gian và được biểu thị bằng W hoặc J / s.
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 tạo ra sự khác biệt giữa một quá trình an toàn và một quá trình nguy hiểm.
Hầu hết các lò phản ứng hàng loạt hoặc bán hàng loạt trong sản xuất đều có khả năng loại bỏ từ 25 đến 35 W / L, tùy thuộc vào kích thước và khái niệm làm mát. Do đó, tốc độ giải phóng nhiệt của một quá trình hóa học cần được thiết kế nằm trong một phạm vi nhất định của tốc độ sản xuất nhiệt để đảm bảo rằng phản ứng có thể được chạy an toàn, bất kể tổng nhiệt của phản ứng.
Giá trị của nhiệt phản ứng trong an toàn quy trình
Lượng nhiệt phản ứng liên quan trực tiếp đến mức độ nghiêm trọng trong trường hợp xảy ra sự cố và được sử dụng đặc biệt trong việc đánh giá phản ứng, mở rộng quy mô và tính toán liên quan đến an toàn quy trình.
Trong quá trình điều tra an toàn quy trình, nhiệt phản ứng được áp dụng để tính toán cái gọi là sự gia tăng nhiệt độ đoạn nhiệt và sau đó là nhiệt độ tối đa của phản ứng tổng hợp (MTSR). Sự gia tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (ΔTad) là một hàm của lượng nguyên liệu ban đầu tích lũy, entanpy phản ứng, lượng khối phản ứng và nhiệt dung riêng của khối phản ứng. Nó mô tả sự gia tăng lý thuyết của nhiệt độ khối phản ứng, giả định rằng một phần hoặc toàn bộ phản ứng được chạy đoạn nhiệt do thất bại làm mát của nhà máy. Trong trường hợp như vậy, nhiệt độ của hàm lượng lò phản ứng sẽ tăng tỷ lệ thuận với sự chuyển đổi của vật liệu chưa phản ứng. Do đó, nhiệt độ quá trình sẽ tăng ΔTad đến MTSR.
Công nghệ nhiệt phản ứng
Đảm bảo an toàn theo thiết kế
Trong hơn 30 năm, RC1 đã là tiêu chuẩn vàng trong nhiệt lượng đo phản ứng; RC1 là một công cụ bạn có thể tin tưởng. RC1mx được xây dựng dựa trên những người tiền nhiệm của nó bằng cách bổ sung một mức độ tiện lợi để phát triển nhanh hơn các quy trình được tối ưu hóa tốt hơn, mạnh mẽ hơn và khả thi về mặt kinh tế.
- Hiểu quy trình của bạn
Xác định dữ liệu nhiệt động lực học một cách nhanh chóng và chính xác trong điều kiện đẳng nhiệt hoặc không đẳng nhiệt. - Nhiệt lượng đo dòng nhiệt - Đơn giản đáng tin cậy
Miễn nhiễm và mạnh mẽ chống lại tác động bên ngoài, nhiệt lượng đo dòng nhiệt cho phép đo chính xác và chính xác sự phát triển của nhiệt trong các điều kiện quá trình. - Đo nhiệt độ thực của phản ứng
Đo nhiệt thực của phản ứng là cơ sở để hiểu tiến trình của các phản ứng hóa học, động học của chúng và khả năng nguy hiểm của nó.
Chuyển đổi nhiệt so với chuyển đổi hóa học của một phản ứng
Chuyển đổi nhiệt là thông tin liên quan đến sự phát triển của quá trình hóa học và mô tả mối quan hệ giữa nhiệt một phần của phản ứng như một hàm của thời gian và tổng nhiệt của phản ứng. Việc tính toán chuyển đổi nhiệt chỉ dựa trên nhiệt giải phóng trong quá trình phản ứng trái ngược với chuyển đổi hóa học, dựa trên sự chuyển đổi hóa học từ chất phản ứng thành sản phẩm.
Trong khi chuyển đổi nhiệt khi kết thúc phản ứng luôn là 100 %, nhưng chuyển đổi hóa học có thể thấp hơn và thay đổi tùy thuộc vào sự lựa chọn của các thông số quá trình. Mục tiêu của sự phát triển hóa học thực sự là đạt được sự chuyển đổi cao nhất có thể của các chất phản ứng, dẫn đến năng suất cao nhất có thể.
Nhiệt lượng đo phản ứng kết hợp với phân tích thời gian thực, chẳng hạn như quang phổ FTIR tại chỗ , là một phương pháp lý tưởng để nghiên cứu tiến trình của phản ứng hóa học, sự chuyển đổi của các chất phản ứng, sự hình thành của các sản phẩm, sản phẩm phụ và chất trung gian, đồng thời đo thông tin nhiệt động lực học, chẳng hạn như nhiệt phản ứng, dòng nhiệt, nhiệt dung riêng hoặc truyền nhiệt cùng một lúc.
Nghiên cứu nhiệt lượng đo phản ứng dẫn đến tiết kiệm vốn và chi phí
Nhờ thông tin thu được từ RC1 (ví dụ: nhiệt phản ứng, nhiệt dung và tốc độ sinh nhiệt), một quy trình đã được thiết lập nhưng đầy thách thức đã được tối ưu hóa và thực hiện ở quy mô lớn trong thời gian rất ngắn. Việc tối ưu hóa giúp tiết kiệm khoảng 70.000 đô la vì không cần giai đoạn thử nghiệm. Ngoài ra, có thể tiết kiệm được 50.000 đô la hàng năm cho chi phí sản xuất do thiết bị ít tốn kém hơn và kích thước lô lớn hơn.
Cả hai bước tổng hợp indole, tổng hợp phenylhydrazone sau đó là đóng vòng Fischer, đã được nghiên cứu trong nhiệt lượng kế phản ứng RC1.
Trọng tâm chính của cuộc điều tra là tốc độ giải phóng nhiệt, nhiệt phản ứng và truyền nhiệt, cũng như tác động của nhiệt độ phản ứng và ở giai đoạn sau, tốc độ định lượng đối với thông tin trên. Dựa trên dữ liệu thí nghiệm, có thể ước tính nhiệt độ và chế độ định lượng, cũng như thời gian và quá trình làm mát, hiệu suất cần thiết cho các hoạt động trong lò phản ứng nhà máy. Thực tế là quy trình hiện tại có thể được sửa đổi để trở nên hầu như được kiểm soát bằng liều lượng cũng cải thiện độ an toàn ở quy mô sản xuất, giúp loại bỏ đáng kể nhu cầu về các biện pháp an toàn đắt tiền.
Tăng tốc phát triển quy trình với Dynochem
Đảm bảo trộn và truyền nhiệt hiệu quả trong quy mô
Sử dụng mô hình Dynochem để đảm bảo trộn và truyền nhiệt hiệu quả khi mở rộng quy mô phản ứng. Dynochem giúp bạn dễ dàng nhanh chóng so sánh các lò phản ứng quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô sản xuất, đồng thời tìm các thông số trộn thích hợp để tăng tốc độ chuyển quy trình từ lò phản ứng sang lò phản ứng một cách an toàn. Với dữ liệu được cung cấp bởi phép đo nhiệt lượng phản ứng và mô hình Dynochem, nhanh chóng đảm bảo an toàn quy trình hóa chất và hiệu suất quy trình trên các quy mô.
Ấn phẩm
Nhiệt phản ứng trong các ấn phẩm liên quan đến ngành công nghiệp
Dưới đây là tuyển tập các ấn phẩm thảo luận về nhiệt phản ứng hoặc entanpy phản ứng.
- Agosti, A., Bertolini, G., Bruno, G., Lautz, C., Glarner, T., & Deichtmann, W. (2017). Xử lý quá trình oxy hóa hydrogen peroxide trên quy mô lớn: tổng hợp 5-bromo-2-nitropyridine. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 21(3), 451–459. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00433
- Changi, SM, & Wong, SW (2016). Mô hình động học để thiết kế phản ứng Grignard trong các hoạt động theo lô hoặc dòng chảy. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 20(2), 525–539. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00281
- Glotz, G., Knoechel, DJ, Podmore, P., Gruber-Woelfler, H., & Kappe, CO (2017). Nhiệt lượng phản ứng trong môi trường lò phản ứng vi mô — Đo nhiệt phản ứng bằng nhiệt lượng thông lượng nhiệt đẳng nhiệt. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 21(5), 763–770. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00092
- Lakshminarasimhan, T. (2014). Dự đoán nhiệt độ phân hủy đoạn nhiệt 24 và 8 giờ cho các phản ứng nhiệt độ thấp bằng cách phù hợp động học của dữ liệu nhiệt không đẳng nhiệt từ nhiệt lượng kế phản ứng (RC1e). Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 18(2), 315–320. https://doi.org/10.1021/op400301f
- Mitchell, CW, Strawser, JD, Gottlieb, A., Millonig, MH, Hicks, FA, & Papageorgiou, CD (2014). Phát triển một chiến lược dựa trên mô hình hóa để mở rộng quy mô an toàn và hiệu quả của các phản ứng hydro hóa có năng lượng cao. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
- Wang, J., Huang, Y., Wilhite, BA, Papadaki, M., & Mannan, MS (2018). Hướng tới việc xác định các điều kiện phản ứng tăng cường bằng phương pháp bề mặt đáp ứng: Nghiên cứu điển hình về tổng hợp 3-methylpyridine N-Oxide. Nghiên cứu Hóa học Công nghiệp & Kỹ thuật, 58(15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
Các Sản phẩm liên quan
Nhiệt lượng kế phản ứng
Nhiệt lượng kế phản ứng đo lượng năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ bởi phản ứng hóa học hoặc vật lý trong quá trình phát triển hóa học và dược phẩm.
Máy quang phổ FTIR và Raman
Máy quang phổ FTIR và Raman tại chỗ cho phép giám sát thời gian thực để cung cấp thông tin quan trọng nhằm tối ưu hóa các hợp chất hóa học.
Hệ thống lấy mẫu tự động
Lấy các mẫu phân tích đáng tin cậy nội tuyến, làm nguội tại chỗ và pha loãng để lấy các mẫu phân tích có thể tái tạo từ hầu hết mọi phản ứng hóa học.
Chemical Synthesis Reactors
Increase productivity in your lab with chemical synthesis reactors featuring built-in automation tools.
Lò phản ứng Áp suất cao
Nhiều ứng dụng, bao gồm hydro hóa, clo hóa và hydroformyl hóa đòi hỏi áp suất vận hành cao hơn. Việc sử dụng bộ điều khiển áp suất hoặc bộ thiết lập hấp thụ khí cho phép đo và/hoặ...
iC Software Suite
In-situ chemical reaction analysis software enables better decision-making and improves the productivity of chemists and scientists.
Bộ mở rộng quy mô
Phần mềm phát triển quy trình và mở rộng quy trình hàng đầu thế giới dành cho các nhà khoa học và kỹ sư.