একটি প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমিট্রি চুল্লি কি? নীতি, পরিমাপ এবং প্রয়োগ

প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি চুল্লি কি?

মূল প্রশ্নের উত্তর:প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি চুল্লি কি, এবং এটি রাসায়নিক প্রক্রিয়া সুরক্ষার জন্য বিক্রিয়ার তাপ এবং তাপীয় ঝুঁকির প্যারামিটারগুলি কীভাবে পরিমাপ করে? একটি প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি চুল্লি হল একটি যন্ত্রযুক্ত ল্যাব-স্কেল চুল্লি (সাধারণত 0.1-2.0 লিটার) যা রিয়েল-টাইমে একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া দ্বারা উৎপন্ন বা ব্যবহৃত তাপ প্রবাহ পরিমাপ করে, যা বিক্রিয়ার তাপ (ডেল্টা-এইচ_আর, সাধারণত -50 থেকে -500 কিলোজুল/মোল), নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতা (সিপি, ±3% নির্ভুলতা), এবং অ্যাডিয়াব্যাটিক তাপমাত্রা বৃদ্ধি (ডেল্টা-টি_এড = (-ডেল্টা-এইচ_আর x সি_এ0) / (রো x সিপি), পরিসীমা 10-500C) নির্ধারণ করতে সক্ষম করে। মৌলিক পরিমাপ নীতি হল তাপ ভারসাম্য: কিউ_বিক্রিয়া = ইউ x এ x (টি_জে - টিআর) + এম x সিপি x ডিটিআর/ডিটি, যেখানে কিউ_বিক্রিয়া হল বিক্রিয়ার তাপ প্রবাহ (ওয়াট), ইউ হল সামগ্রিক তাপ স্থানান্তর সহগ (ওয়াট/মি²-কে), এ হল তাপ স্থানান্তর এলাকা (মি²), টি_জে এবং টিআর হল জ্যাকেট এবং চুল্লির তাপমাত্রা (কে), এম হল চুল্লির ভর (কেজি), এবং সিপি হল নির্দিষ্ট তাপ (জে/কেজি-কে)। Mettler Toledo RC1e হল শিল্প-মান প্ল্যাটফর্ম যার ±2-5% তাপ প্রবাহ নির্ভুলতা রয়েছে। ক্যালোরিমেট্রি ডেটা স্টোসেল ক্রিটিক্যালিটি ক্লাসিফিকেশন (ক্লাস 1-5) ফিড করে যা স্কেল-আপের জন্য তাপীয় সুরক্ষা নকশা নিয়ন্ত্রণ করে, নির্ধারণ করে যে কোনও বিক্রিয়ার জন্য জরুরি কোয়াঞ্চ, ক্র্যাশ কুলিং বা প্রক্রিয়া পুনঃডিজাইন প্রয়োজন কিনা।

1. মূল ক্যালোরিমেট্রি নীতি এবং তাপ প্রবাহ পরিমাপ

প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি তিনটি তাপ ভারসাম্য এবং পরিমাপ নীতির উপর নির্ভর করে:

• তাপ প্রবাহ পরিমাপ এবং ক্যালিব্রেটেড তাপ স্থানান্তর তাপ প্রবাহ পদ্ধতি (RC1e এর প্রাথমিক মোড) পরিমাপ করে কিউ = ইউ x এ x (টি_জে - টিআর) + এম x সিপি x ডিটিআর/ডিটি। ইউ x এ পণ্যটি একটি পরিচিত বৈদ্যুতিক হিটার (জুল ক্যালিব্রেশন: কিউ_ক্যাল = ভি²/আর, নির্ভুলতা ±1%) ব্যবহার করে বিক্রিয়ার আগে এবং পরে ক্যালিব্রেট করা হয়। যদি বিক্রিয়ার সময় ইউ x এ পরিবর্তিত হয় (সান্দ্রতা পরিবর্তন, ফাউলিং বা স্ফটিককরণের কারণে), ক্যালিব্রেশন ইন্টারপোলেট করা হয়। সঞ্চয় পদ (এম x সিপি x ডিটিআর/ডিটি) চুল্লির বিষয়বস্তুর সংবেদনশীল তাপ পরিবর্তনকে হিসাব করে। বিক্রিয়া মিশ্রণের সিপি একটি ক্যালিব্রেটেড হিটার পালস (নির্ভুলতা ±3%) দ্বারা পৃথকভাবে পরিমাপ করা হয়। সাধারণ RC1e পরিমাপ নির্ভুলতা: আইসোথার্মাল অপারেশনের জন্য কিউ_বিক্রিয়ার ±2-5%, তাপমাত্রা-র‍্যাম্প অপারেশনের জন্য ±5-10%।
• বিক্রিয়ার তাপ (ডেল্টা-এইচ_আর) এবং স্টোইচিওমেট্রিক ইন্টিগ্রেশন বিক্রিয়ার সময়ের উপর তাপ প্রবাহকে ইন্টিগ্রেট করলে বিক্রিয়ার মোট তাপ পাওয়া যায়: ডেল্টা-এইচ_আর = -ইন্টিগ্রাল(0 থেকে টি_এন্ড) কিউ_বিক্রিয়া ডিটি / এন_বিক্রিয়াকৃত, যেখানে এন_বিক্রিয়াকৃত হল সীমিত বিক্রিয়কের ব্যবহৃত মোল (ইন-লাইন FTIR বা অফলাইন HPLC দ্বারা নির্ধারিত)। উদাহরণস্বরূপ, 500 মিলি দ্রাবকে 0.1 মোল নাইট্রোবেনজিনের হাইড্রোজেনেশন 50C এ 5 ওয়াট তাপ 60 মিনিটের জন্য নির্গত করে: ডেল্টা-এইচ_আর = -(5 x 3600) / 0.1 = -180,000 জে/মোল = -180 কিলোজুল/মোল। নাইট্রোবেনজিন হাইড্রোজেনেশনের জন্য সাহিত্যের মান -180 থেকে -190 কিলোজুল/মোল। ক্যালোরিমেট্রি বিক্রিয়ার গতিবিদ্যা (রেট কনস্ট্যান্ট কে ডি কিউ/ডিটি = কে x সি^এন থেকে) এবং সক্রিয়করণ শক্তি (এরেহেনিয়াস কে = এ x এক্সপ(-ইএ/আরটি) একাধিক তাপমাত্রায় থেকে ইএ) পরিমাপ করে।
• অ্যাডিয়াব্যাটিক তাপমাত্রা বৃদ্ধি এবং স্টোসেল ক্রিটিক্যালিটি অ্যাডিয়াব্যাটিক তাপমাত্রা বৃদ্ধি (ডেল্টা-টি_এড) হল তাত্ত্বিক তাপমাত্রা বৃদ্ধি যদি সমস্ত বিক্রিয়ার তাপ মিশ্রণে ধরে রাখা হয়: ডেল্টা-টি_এড = (-ডেল্টা-এইচ_আর x সি_এ0) / (রো x সিপি), যেখানে সি_এ0 হল প্রাথমিক বিক্রিয়কের ঘনত্ব (মোল/লিটার), রো হল ঘনত্ব (কেজি/লিটার), এবং সিপি হল নির্দিষ্ট তাপ (জে/কেজি-কে)। একটি নাইট্রেশনের জন্য ডেল্টা-এইচ_আর = -150 কিলোজুল/মোল, সি_এ0 = 5 মোল/লিটার, রো = 1.0 কেজি/লিটার, সিপি = 4000 জে/কেজি-কে: ডেল্টা-টি_এড = (150,000 x 5) / (1.0 x 4000) = 187.5C। স্টোসেল ক্রিটিক্যালিটি ক্লাসিফিকেশন প্রক্রিয়া তাপমাত্রা এবং পচনের সূচনা তাপমাত্রা (টি_ডি) এর সাথে ডেল্টা-টি_এড ব্যবহার করে: ক্লাস 1 (ডেল্টা-টি_এড < 10C, কম ঝুঁকি), ক্লাস 2 (10-50C), ক্লাস 3 (50-200C), ক্লাস 4 (200-400C), ক্লাস 5 (টি_প্রক্রিয়া টি_ডি এর কাছাকাছি, চরম রানওয়ে ঝুঁকি)।2. প্রধান প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি কৌশল এবং যন্ত্র

শিল্প প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি তিনটি পরিমাপ কৌশল ব্যবহার করে যা তাপ ভারসাম্য পদ্ধতির দ্বারা পৃথক করা হয়:

তাপ প্রবাহ ক্যালোরিমেট্রি (RC1e এবং সমতুল্য)

• Mettler Toledo RC1e (এবং সমতুল্য: HEL Simular, Systag Calo2310) একটি জ্যাকেটেড চুল্লি ব্যবহার করে যেখানে সুনির্দিষ্ট তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ (±0.01C) এবং কিউ = ইউ x এ x (টি_জে - টিআর) + সঞ্চয় দ্বারা তাপ প্রবাহ পরিমাপ করা হয়। ইউ x এ পণ্যটি বিক্রিয়ার আগে এবং পরে একটি অভ্যন্তরীণ বৈদ্যুতিক হিটার দ্বারা ক্যালিব্রেট করা হয়। 0.1-2.0 লিটার স্কেলে আইসোথার্মাল অপারেশন ±2-5% তাপ প্রবাহ নির্ভুলতা প্রদান করে। এটি ফার্মাসিউটিক্যাল প্রক্রিয়া সুরক্ষা মূল্যায়ন এবং ICH Q11 প্রক্রিয়া উন্নয়নের জন্য শিল্প মান। সাধারণ বিক্রিয়া: 0.5 লিটার টলুইন, 0.1 মোল বিক্রিয়ক, 50C আইসোথার্মাল, 1-4 ঘন্টা বিক্রিয়া, তাপ প্রবাহ, রূপান্তর (FTIR), এবং গ্যাস বিবর্তন (মাস ফ্লো) রেকর্ড করা।পাওয়ার কম্পেনসেশন ক্যালোরিমেট্রি
• একটি থার্মোইলেকট্রিক হিটার বিক্রিয়ার তাপ নির্গমনের ক্ষতিপূরণ দিয়ে চুল্লিকে ধ্রুবক তাপমাত্রায় রাখে। কিউ_বিক্রিয়া = কিউ_হিটার_বেসলাইন - কিউ_হিটার_বিক্রিয়ার সময় (ওয়াট)। সুবিধা: কোনও ইউ x এ ক্যালিব্রেশন প্রয়োজন নেই (সরাসরি বৈদ্যুতিক শক্তি পরিমাপ)। অসুবিধা: ছোট স্কেল (10-250 মিলি) এবং মাঝারি তাপ নির্গমনের ( <100 ওয়াট) মধ্যে সীমাবদ্ধ। নির্ভুলতা ±3-7%। প্রাথমিক-পর্যায়ের প্রক্রিয়া উন্নয়ন (স্ক্রিনিং) এবং মাইক্রোরিঅ্যাক্টর ক্যালোরিমেট্রির জন্য ব্যবহৃত হয়। বাণিজ্যিক সিস্টেম: THT μRC (1-5 মিলি, ±1 মিলিওয়াট), Mettler Toledo Thermal Safety (TSA) দ্রুত স্ক্রিনিংয়ের জন্য।অ্যাডিয়াব্যাটিক ক্যালোরিমেট্রি (ARC, VSP, এবং Dewar) অ্যাডিয়াব্যাটিক ক্যালোরিমিটার শূন্য তাপ ক্ষতি শর্তে কাজ করে, একটি রানওয়ে বিক্রিয়া থেকে তাপমাত্রা বৃদ্ধি এবং চাপ বিবর্তন পরিমাপ করে। অ্যাক্সিলারেটিং রেট ক্যালোরিমিটার (ARC, NETZSCH) 0.02 K/মিনিটের মতো কম স্ব-গরমের হার (ডিটি/ডিটি) ট্র্যাক করে, পচনের সূচনা সনাক্ত করে। ভেন্ট সাইজিং প্যাকেজ (VSP, Fauske) বৃহত্তর স্কেলে (50-500 মিলি) কাজ করে এবং DIERS (ডিজাইন ইনস্টিটিউট ফর ইমার্জেন্সি রিলিফ সিস্টেমস) পদ্ধতির জন্য দুই-পর্যায়ের প্রবাহ ত্রাণ প্রয়োজনীয়তা পরিমাপ করে। Dewar ক্যালোরিমেট্রি (ভ্যাকুয়াম ফ্লাস্ক) 0.1-1.0 লিটারে কম খরচে অ্যাডিয়াব্যাটিক স্ক্রিনিং সরবরাহ করে। অ্যাডিয়াব্যাটিক ডেটা সরাসরি ত্রাণ সাইজিং (API 520/521) এবং প্রতিক্রিয়াশীল ঝুঁকি শ্রেণীবিভাগ (স্টোসেল) এ ইনপুট করে।
• প্রতিক্রিয়া ক্যালোরিমেট্রি কৌশল তুলনা ম্যাট্রিক্সকৌশল

পরিমাপ নীতি

উত্তর: তাপ প্রবাহ ক্যালোরিমেট্রিতে মৌলিক তাপ ভারসাম্য হল: কিউ_বিক্রিয়া = ইউ x এ x (টি_জে - টিআর) + এম x সিপি x ডিটিআর/ডিটি, যেখানে কিউ_বিক্রিয়া হল বিক্রিয়ার তাপ প্রবাহ (ওয়াট), ইউ হল সামগ্রিক তাপ স্থানান্তর সহগ (ওয়াট/মি²-কে), এ হল তাপ স্থানান্তর এলাকা (মি²), টি_জে এবং টিআর হল জ্যাকেট এবং চুল্লির তাপমাত্রা (কে), এম হল চুল্লির বিষয়বস্তুর ভর (কেজি), এবং সিপি হল নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতা (জে/কেজি-কে)। প্রথম পদ (ইউএ x ডেল্টা-টি) জ্যাকেটে/থেকে তাপ স্থানান্তরকে প্রতিনিধিত্ব করে। দ্বিতীয় পদ (এমসিপি x ডিটিআর/ডিটি) সংবেদনশীল তাপ সঞ্চয়কে প্রতিনিধিত্ব করে। ইউ x এ পণ্যটি একটি অভ্যন্তরীণ বৈদ্যুতিক হিটার (জুল ক্যালিব্রেশন) ব্যবহার করে বিক্রিয়ার আগে এবং পরে ক্যালিব্রেট করা হয়।

প্রশ্ন: স্টোসেল ক্রিটিক্যালিটি ক্লাসিফিকেশন কি এবং এটি স্কেল-আপ সুরক্ষার জন্য কীভাবে ব্যবহৃত হয়?

উত্তর: স্টোসেল ক্লাসিফিকেশন (ক্লাস 1-5) প্রক্রিয়া তাপমাত্রা এবং তাপীয় পচনের সূচনা তাপমাত্রা (টি_ডি) এর সাথে সম্পর্কিত অ্যাডিয়াব্যাটিক তাপমাত্রা বৃদ্ধি (ডেল্টা-টি_এড) এর উপর ভিত্তি করে তাপীয় ঝুঁকিকে শ্রেণীবদ্ধ করে। ক্লাস 1: ডেল্টা-টি_এড <10C (কম ঝুঁকি, কোনও বিশেষ ব্যবস্থা নেই)। ক্লাস 2: 10-50C (মাঝারি ঝুঁকি, তাপমাত্রা পর্যবেক্ষণ প্রয়োজন)। ক্লাস 3: 50-200C (উচ্চ ঝুঁকি, জরুরি কুলিং বা কোয়াঞ্চ প্রয়োজন)। ক্লাস 4: 200-400C (খুব উচ্চ ঝুঁকি, ক্র্যাশ কুলিং এবং/অথবা কোয়াঞ্চ ইনজেকশন প্রয়োজন)। ক্লাস 5: টি_প্রক্রিয়া টি_ডি এর কাছাকাছি, চরম রানওয়ে ঝুঁকি যার জন্য প্রক্রিয়া পুনঃডিজাইন প্রয়োজন। স্কেল-আপ প্রায়শই একটি বিক্রিয়াকে 1-2 ক্লাস উচ্চতর করে তোলে কারণ তাপ অপসারণ ক্ষমতা (এ/ভি) স্কেলের সাথে হ্রাস পায়, যার অর্থ একটি ক্লাস 2 ল্যাব বিক্রিয়া উৎপাদন স্কেলে ক্লাস 4 হতে পারে।

প্রশ্ন: অ্যাডিয়াব্যাটিক তাপমাত্রা বৃদ্ধি (ডেল্টা-টি_এড) কীভাবে গণনা করা হয় এবং এটি কী নির্দেশ করে?

উত্তর: ডেল্টা-টি_এড = (-ডেল্টা-এইচ_আর x সি_এ0) / (রো x সিপি), যেখানে ডেল্টা-এইচ_আর হল বিক্রিয়ার তাপ (জে/মোল, এক্সোথার্মিকের জন্য নেতিবাচক), সি_এ0 হল প্রাথমিক বিক্রিয়কের ঘনত্ব (মোল/লিটার), রো হল মিশ্রণের ঘনত্ব (কেজি/লিটার), এবং সিপি হল নির্দিষ্ট তাপ (জে/কেজি-কে)। উদাহরণস্বরূপ, একটি হাইড্রোজেনেশন যার ডেল্টা-এইচ_আর = -150 কিলোজুল/মোল, সি_এ0 = 4 মোল/লিটার, রো = 0.9 কেজি/লিটার, সিপি = 2500 জে/কেজি-কে হলে ডেল্টা-টি_এড = (150,000 x 4) / (0.9 x 2500) = 267C। এর মানে হল যদি কুলিং সম্পূর্ণভাবে ব্যর্থ হয়, চুল্লির তাপমাত্রা প্রাথমিক তাপমাত্রার চেয়ে 267C বৃদ্ধি পাবে। যদি প্রাথমিক তাপমাত্রা 50C হয়, অ্যাডিয়াব্যাটিক শেষ বিন্দু 317C হবে, যা পচনের সূচনা অতিক্রম করতে পারে এবং রানওয়ে ট্রিগার করতে পারে।প্রশ্ন: তাপ প্রবাহ ক্যালোরিমেট্রি এবং অ্যাডিয়াব্যাটিক ক্যালোরিমেট্রির মধ্যে পার্থক্য কি?

উত্তর: তাপ প্রবাহ ক্যালোরিমেট্রি (RC1e) নিয়ন্ত্রিত আইসোথার্মাল বা তাপমাত্রা-র‍্যাম্প শর্তে বিক্রিয়া দ্বারা নির্গত তাপ পরিমাপ করে, ডেল্টা-এইচ_আর, গতিবিদ্যা এবং সিপি প্রদান করে। এটি স্বাভাবিক প্রক্রিয়া শর্তের অনুকরণ করে। অ্যাডিয়াব্যাটিক ক্যালোরিমেট্রি (ARC, VSP) শূন্য তাপ ক্ষতি শর্তে কাজ করে, যা চুল্লির তাপমাত্রা বিক্রিয়া চলার সাথে সাথে অবাধে বৃদ্ধি পেতে দেয়, একটি কুলিং ব্যর্থতার পরিস্থিতি অনুকরণ করে। অ্যাডিয়াব্যাটিক ডেটা সবচেয়ে খারাপ-পরিস্থিতির রানওয়ে আচরণ প্রকাশ করে: স্ব-গরমের হার, সর্বোচ্চ তাপমাত্রা, সর্বোচ্চ চাপ এবং পচনের সূচনা। সম্পূর্ণ তাপীয় ঝুঁকি মূল্যায়নের জন্য উভয়ই প্রয়োজন: স্বাভাবিক অপারেশন ডিজাইনের জন্য তাপ প্রবাহ, জরুরি ত্রাণ সাইজিং এবং রানওয়ে ঝুঁকি মূল্যায়নের জন্য অ্যাডিয়াব্যাটিক।