防止失控化学反应

通过对反应的动态变化进行分析，科研人员可进行失控情况建模，制定理想的反应程序。 测量、计算和了解下面这些参数对于评估和避免化学工艺中的风险至关重要。 这就使得科研人员能够对温度和加样特性、浓度或较高运行温度进行预测。 从热化学角度来看，主要信息有：

1. 累积
2. 绝热温升
3. 热容
4. 反应焓
5. 产热速率/反应热
6. MTSR（合成反应的最高温度）
7. 目标反应，非目标反应，分解，热失控

累积通常指的是在半间歇反应（这种反应并不是马上发生）中加样的物质，或者由于产生的热量大于除热能力而累积的能量。

如果未反应的原材料浓度累积/积累，且冷却失败，则会发生危险。 这可以通过测定产热的速度，并将其与添加速度相比较，使用反应量热仪进行测量。 还可以使用原位FTIR光谱仪直接测量未反应试剂的浓度。

热量累积指的是系统能量的变化，是由于热量产生大于除热能力而导致的温度变化导致的。 通过反应量热仪测量热容和温度变化可计算热量累积，以及真正反应热的变化。

绝热温升是一种可针对任何给定反应计算的属性，表明了冷却失败或其他工艺不稳定的潜在严重度。 它取决于释放的总能量（反应焓）、反应混合物的总质量，以及系统的比热容。 了解是否会将反应混合物带入某个可能发生二次反应或分解反应的温度，这点特别重要。 绝热温升可使用反应量热仪轻松计算，可提供简单的升温“较差情况”指示。 更为复杂的计算，如iC Safety执行的计算可以演算出相关参数，如MTSR（较大合成反应温度），该参数对于放大生产研究更为有用。

物质的热容或比热容指的是将一千克物质提高一摄氏度所需的能量。 因此热容的标准单位为kJ/kg.K-1。 此属性在累积热量、绝热升温和MTSR的计算中起着直接作用。 因为该属性会根据反应物成分的特征而变化，所以在工艺安全性研究中需要进行实验来测定混合物的热容。 这就带来了一个额外好处：因为此数据有助于计算工艺的总能量平衡，所以通常受到放大生产相关工程师的欢迎。

化学反应的反应焓指的是物质由于化学反应而转换时所发生的焓变化。 科研人员通过该属性将了解某个工艺总共会释放多少能量，并使用反应量热仪进行测量。 反应焓是通过随时间变化对反应热趋势进行积分来计算的。

产热速率或反应热与反应的总焓相关，但是会作为时间的函数考虑能量的释放方式。 这是非常重要的，因为反应的总焓可能不是那么重要，但安全工艺和危险工艺之间释放能量速度却存在差异。

反应热提供了反应开始和结束、可能的反应物累积、较大热释放、反应动力学以及必需的反应物冷却容量和动力学等相关信息。 产热速度受一些因素的影响，包括温度、加样速率、浓度、动力学和混合情况。

反应热的测定需要了解总热流平衡，包括流经反应釜壁的能量(qflow)、加样过程中可能增加/消耗的数量(qdos)，以及由于升温而累积的数量(qaccu)。 该积分值表示反应焓。

较大合成反应温度(MTSR)是半间歇反应釜工艺安全性的一个基础参数。 该参数描述了由于冷却故障时存在的未反应物质数量导致的冷却故障之后的温度变化。 MTSR的计算是从工艺温度开始动态执行的，用来确定假设所有反应能量均保留在反应釜的情况（即系统为绝热或变为绝热）下反应混合物会达到的最高温度。 反应量热仪是测量反应热、试剂累积和MTSR的一个基本工具。 要注意的一点是，此属性仅涉及目标（合成）反应，要了解任何后续二次反应或分解反应的影响需要执行其他过程（差示扫描量热仪，DSC）。

热失控或热爆炸可能是由于一个反应或系列反应的绝热过程造成的。 当放热反应产生的热量累积导致反应混合物的温度升高时，就会发生这种情况。 之后，反应速度升高，导致产热速率升高。

升温可能触发二级反应，如反应物质、中间物或较终产物的分解，导致热失控。 通过在实验室规模下执行恰当的工艺安全性研究，可以确定导致热失控的条件，并在工艺放大生产之前加以避免。

对目标反应以及可能的非目标反应同时进行研究，这是非常重要的。 非目标反应使用绝热量热仪、杜瓦瓶或DSC进行研究，而目标反应通常使用反应量热仪进行研究。

反应量热仪可用于测定一些关键系数，如反应热、累积、绝热升温和MTSR，以便了解冷却故障的后果。 实际上，它用于确定所需合成反应是否会导致工艺变得不稳定从而导致二级反应。

在大多数情况下，二级反应比目标反应释放能量更多，速度更快，而生产设施无法安全去除这种能量。 因此，需要对反应进行设计，以便不会发生潜在的危险条件，或确定恰当的措施来确保工艺在所有情况下均处于安全控制之下。

反应量热仪测定一些与安全相关的参数，且准确性较高。 使用针对性设计系统对提供精确且高质量的量热数据至关重要。

梅特勒托利多恒温器采用独特的即时冷却原理，可提供快速响应和准确控制以确保较佳和较安全的工作条件。

使用针对设计硬件以及先进且用户友好的软件，可以确保在整个化学反应中准确计算比热、热传输、真正反应热以及产品和热量累积等参数。 这为化学工程师提供了工艺安全和放大生产的重要数据。