防止失控的化學反應

分析反應動力學使科學家能夠對失控反應場景進行建模並建立理想的反應程序。測量、計算和理解以下參數對於評估和避免化學過程中的風險至關重要。這使科學家能夠對溫度和劑量曲線、濃度或最高工作溫度進行預測。從熱化學的角度來看，關鍵信息是：

1. 累積
2. 絕熱溫升
3. 熱容量
4. 反應焓
5. 產熱速率/反應熱
6. MTSR（合成反應的最高溫度）
7. 期望反應、 不良 反應、分解、熱失控

累積通常是指在半間歇反應過程中被計量的材料不會立即反應，或者由於產熱大於散熱能力而累積的能量。

如果未反應原料的濃度積聚或積聚，如果冷卻失敗，就會造成危險。這可以使用 反應量熱儀 通過確定熱量產生的速率與添加速率的比較來測量。也可以使用 原位FTIR光譜 直接測量未反應試劑的濃度。

熱累積描述了系統能量含量的變化，是由於產生的熱量大於散熱能力導致溫度變化而引起的。通過反應量熱儀測量熱容和溫度變化可以計算熱累積和推導真實 反應熱。

絕熱溫升是針對任何給定反應計算的屬性，用於指示冷卻故障或其他製程故障的潛在嚴重程度。它取決於釋放的能量總量（反應焓）、反應混合物的總質量以及系統的比熱容。了解它是否可以將反應混合物帶到可能發生二次反應或分解反應的溫度尤為重要。絕熱溫升可以使用 反應量熱儀 輕鬆計算，以給出溫度升高的簡單“最壞情況”指示。更複雜的計算，例如 由iC Safety執行的計算，可以得出相關參數，例如MTSR（合成反應的最高溫度），這是放大研究更有用的參數。

材料的熱容或比熱容描述了將一公斤材料的溫度升高攝氏一度所需的能量。因此，熱容的標準單位是 kJ/kg。K-1。該性質在累積熱量、絕熱溫升和 MTSR 的計算中起直接作用。由於它根據反應器內容物的性質而變化，因此有必要通過實驗確定混合物的熱容，作為工藝安全研究的一部分。這帶來了額外的好處，即此類數據通常受到從事放大工作的工程師的歡迎，因為它有助於計算過程的整體能量平衡。

化學反應的 反應焓 是物質通過化學反應轉化時發生的焓變化。它告訴科學家一個過程總共產生了多少能量，並使用 反應量熱儀進行測量。反應的反應焓是通過積分隨時間變化的反應熱趨勢來計算的。

產熱速率或反應熱與反應的整體焓有關，但考慮了能量如何隨時間釋放。這至關重要，因為反應的總焓可能並不重要，但能量釋放的速率可能是安全過程和危險過程之間的區別。

反應熱提供了有關反應的開始和結束、反應物可能積累、最大熱演化、反應動力學以及必要的反應器冷卻能力和動力學的重要信息。熱量產生的速率受多種因素影響，包括溫度、劑量速率、濃度、動力學和混合。

反應熱的測定需要了解整體熱流平衡，包括流經反應器壁的能量 （qflow）、加藥過程中可能添加/消耗的量 （qdos） 以及由於溫度升高而累積的量 （qaccu）。它的積分值代表反應的焓。

合成反應的最高溫度（MTSR）是半間歇式反應器化學 過程安全的 基石之一。它描述了由於冷卻失效時存在的未反應材料量而導致的冷卻失效後溫度變化。從製程溫度開始，動態執行 MTSR 的計算，以確定所有反應能量都保留在反應器中（即系統絕熱或變為絕熱），反應混合物將達到的最高溫度。 反應量熱儀 是測量 反應熱、試劑積累和MTSR的重要工具。值得注意的是，此特性僅涉及所需的（合成）反應，並且需要執行其他程序（差示掃描量熱法，DSC）以了解任何後續二次反應或分解反應的影響。

熱失控或熱爆炸可能是反應或一系列反應絕熱過程的結果。當放熱反應產生的熱量積累導致反應混合物溫度升高時，就會發生這種情況。隨後，反應速率增加，導致發熱速率增加。

溫度升高可能會引發二次反應，例如反應物質、中間體或最終產物的分解，導致熱失控。透過在實驗室規模上進行適當的製程安全研究，可以在製程擴大規模之前識別並避免導致熱失控的條件。

研究兩者，期望和潛在不想要的反應至關重要。雖然使用絕熱量熱儀、杜瓦瓶或 DSC 研究不需要的反應，但通常使用 反應量熱儀來研究所需的反應。

反應量熱儀可用於確定反應熱、累積、絕熱溫升和MTSR等關鍵因素，以了解冷卻故障的後果。事實上，它用於確定所需的合成反應是否會導致過程變得不穩定，從而導致二次反應。

在大多數情況下，二次反應釋放的能量比所需的反應更快，生產設施無法安全地去除這種能量。因此，有必要設計反應，以免發生潛在的危險情況，或定義適當的措施以確保過程始終處於安全控制之下。

反應量熱儀可 高精度地確定一系列與安全相關的參數。使用專為用途設計的系統對於提供精確、高品質的量熱數據至關重要。

梅特勒-托利多恆溫器配備獨特的即時冷卻原理，可提供快速響應和準確控制，以確保最佳和最安全的工作條件。

使用專門設計的硬件，加上先進、用戶友好的軟件，確保在整個化學反應過程中準確計算比熱、傳熱、反應真實熱以及產物和熱量的積累等參數。這為化學工程師提供了 製程安全和 擴大規模的基本數據。