反応熱量測定リアクターとは何ですか?原理、測定、応用

反応熱測定炉とは何か? 原則,測定と応用

根本的な質問に答えます反応熱測定炉とは何か? 化学プロセス安全のための反応熱と熱危険パラメータをどのように測定するのですか?反応熱測定炉は,化学反応によって生成または消費される熱流をリアルタイムで測定する,実験室規模の装置付きの原子炉 (通常は0.1-2.0L) である.反応熱 (デルタ-H_r) の測定を可能にする特定の熱容量 (Cp, ±3%精度) とアディアバティック温度上昇 (デルタ-T_ad = (-デルタ-H_r x C_A0) / (rho x Cp),範囲10-500C)基本的測定原理は熱バランスです: Q_reaction = U x A x (T_j - T_r) + m x Cp x dT_r/dt,ここでQ_reactionは反応熱流量 (W),Uは総熱伝達係数 (W/m2-K),Aは熱伝達面積 (m2),T_j と T_r は,コートと原子炉の温度 (K)Mettler Toledo RC1eは,業界標準のプラットフォームで,熱流量精度は ±2-5%である.カロリメトリデータは,スケールアップのための熱安全設計を統制するストーセルの批判性分類 (クラス1〜5) を供給する., 反応が緊急消化,衝突冷却,またはプロセス再設計を必要とするかどうかを決定する.

1熱量測定の基本原理と熱流量測定

反応熱測定は,三つの熱バランスと測定原則に基づいています.

• 熱流量測定と校正式熱伝送熱流方法 (RC1eの主要モード) は Q = U x A x (T_j - T_r) + m x Cp x dT_r/dt を測定する.U x A 製品は,既知の電気ヒーター (ジュール校正) を使用して反応前と後に校正されます.: Q_cal = V ^ 2 / R,精度 ± 1%).反応中にU x Aが変化した場合 (粘度変化,汚れ,または結晶化により),校正は挿入されます.蓄積項 (m x Cp x dT_r/dt) は,原子炉の容量の感覚的な熱変化を説明する.反応混合物のCpは,校正されたヒーターパルス (精度±3%) で別々に測定される.典型的RC1e測定精度:同熱操作ではQ_反応の±2-5%,温度ランプ操作では ±5~10%.
• 反応熱 (デルタ-H_r) とストイキオメトリック統合反応時間における熱流を統合すると,反応の総熱が得られる. delta-H_r = -integral ((0 to t_end) Q_reaction dt / n_reacted,ここで n_反応は消費された制限反応剤のモルである (直線FTIRまたはオフラインHPLCによって決定される)例えば,500ml溶媒で50Cで0.1molのナイトロベンゼンを水化すると,60分間にQ_avg=5Wが放出され,デルタ-H_r=−5 x 3600) /0.1=−180,000J/mol=−180kJ/mol.ニトロベンゼンの水素化に関する文献値は -180〜190 kJ/molカロリメトリはまた,反応動力学 (dQ/dt = k x C^n から速度の常数 k) と活性化エネルギー (A × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×
• アディアバティック温度上昇とストーセルの批判性アディアバティック温度上昇 (デルタ-T_ad) は,すべての反応熱が混合物内に保持された場合の理論的な温度上昇である:デルタ-T_ad = (-デルタ-H_r x C_A0) / (rho x Cp),C_A0 は初期反応物質濃度 (mol/L), rhoは密度 (kg/L),Cpは特異熱 (J/kg-K). delta-H_r = -150 kJ/mol,C_A0 = 5 mol/L, rho = 1.0 kg/L,Cp = 4000 J/kg-K: delta-T_ad = (150,000 x 5) / (1.0 x 4000) = 187.5C ストーセルの批判性分類では,プロセス温度と分解開始温度 (T_d) に関するデルタ-T_adを使用:クラス1 (デルタ-T_ad < 10C,低リスク)クラス2 (10-50C)クラス3 (50-200C),クラス4 (200-400C),クラス5 (T_プロセスがT_dに近づく,極端な脱出リスク)

2主な反応熱測定技術と機器

産業反応カロリメトリは,熱バランス方法によって区別される3つの測定技術を使用します.

• 熱流カロリメトリ (RC1e と同等値)メットラー・トレド RC1e (および同等の:HEL Simular,Systag Calo2310) は,正確な温度制御 (±0.0°C) を備えたジャケット式原子炉を使用している.01C) で,Q = U x A x (T_j - T_r) +蓄積による熱流量を測定する.U x A 製品は,反応前と後に内部電気ヒーターで校正されます. 0.1-2.0 L スケールでの同熱操作は,熱流量の ± 2-5% の精度を提供します.これは製薬プロセス安全評価とICH Q11プロセス開発のための業界標準です.典型的な反応:0.5Lトルーレン,0.1mol反応剤,50C同熱,1-4h反応,熱流,変換 (FTIR) とガス進化 (質量流) を記録する.
• 電力補償カロリメトリ熱電熱器は,反応熱の放出を補償することによって,原子炉を恒温に保ちます. Q_反応 = Q_熱器_ベースライン - Q_熱器_反応中に (W). 利点:U x A 校正は必要ない (直接電力の測定)欠点:小規模 (10-250 mL) と適度な熱放出 (<100 W) に限られる.精度 ±3-7%.初期プロセス開発 (スクリーニング) およびマイクロリアクターカロリメトリに使用される.商業システム: THT μRC (1-5 mL,±1 mW),メッテル・トレド熱安全 (TSA) 迅速スクリーニング
• アディアバティックカロリメトリ (ARC,VSP,Dewar)アディオバティックカロリメーターはゼロ熱損失条件で動作し,急激な反応からの温度上昇と圧力進化を測定します.NETZSCH) は,自己加熱率 (dT/dt) を 0 値以下まで追跡します..02 K/min,分解の開始を検出する.(DIERS (緊急救助システム設計研究所) 方法論の2段階流量救済要件を測定する)デワールカロリメトリ (真空コップ) は,0.1-1.0Lで低コストのアディアバティックスクリーニングを提供します.アディアバティックデータは,リレーフサイズ化 (API 520/521) と反応性危険分類 (ストーシェル) に直接インプットされます.

反応熱測定技術 比較マトリックス

よくある質問 (FAQ)

Q: 反応熱測定に用いられる熱流方程式とは?

A:熱流熱測定における基本的な熱バランスは,Q_反応 = U x A x (T_j - T_r) + m x Cp x dT_r/dtで,Q_反応は反応熱流量 (W) である.U は総熱伝達係数 (W/m2-K), A は熱伝達面積 (m2), T_j と T_r はコートと原子炉の温度 (K), m は原子炉の質量 (kg), Cp は特異熱容量 (J/kg-K).第"項 (UA x delta-T) は,ジャケットへの熱伝達/外伝を表します.2番目の項 (mCp x dT_r/dt) は,感知的な熱蓄積を表します.U x A 産物は,内部電気ヒーターを使用して反応前と後に校正されます (ジュール校正).

Q:ストーセルの批判性分類とは何か? 拡大安全のためにどのように使用されるのか?

A: その通り The Stoessel classification (Class 1-5) categorizes thermal risk based on the adiabatic temperature rise (delta-T_ad) relative to the process temperature and the onset temperature of thermal decomposition (T_d)クラス1:デルタ-T_ad <10C (低リスク,特別な対策なし).クラス2: 10-50C (中程度のリスク,温度モニタリングが必要です).クラス3: 50-200C (高リスク,緊急冷却または消化が必要です).クラス4: 200-400C (非常に高いリスク,衝突冷却および/または消化注入を必要とする).クラス5:T_プロセスT_dに近づく,プロセスの再設計を必要とする極端な脱出リスク.スケールアップでは,反応が 1-2 級に上昇する傾向があります.つまり,実験室での2級反応は,生産スケールで4級になり得る.

Q: アディアバティック温度上昇 (デルタ-T_ad) はどのように計算され,それは何を示すのか?

A:デルタ-T_ad = (-デルタ-H_r x C_A0) / (rho x Cp),ここではデルタ-H_r は反応熱 (J/mol,外熱についてはマイナス),C_A0 は初期反応物質濃度 (mol/L),rhoは混合物の密度 (kg/L),Cpは特異熱量 (J/kg-K).例えば,デルタ-H_r = -150 kJ/mol,C_A0 = 4 mol/L, rho = 0.9 kg/L,Cp = 2500 J/kg-Kで水素化するとデルタ-T_ad = (150,000 x 4) / (0.9 x 2500) = 267Cつまり冷却が完全に失敗した場合 原子炉は初期温度より 267°C上昇します分解開始を超えて 脱出を誘発する.

Q: 熱流カロリメトリとアディアバティックカロリメトリの違いは何ですか?

A: 熱流熱測定 (RC1e) は,制御された同熱または温度ランプ条件下で反応によって放出される熱を測定し,デルタ-H_r,動力学,Cp を提供します.通常のプロセス状態をシミュレートしますアディアバティックカロリメトリ (ARC,VSP) は,ゼロ熱損失条件で動作し,反応が進むにつれて原子炉の温度が自由に上昇し,冷却失敗シナリオをシミュレートします.アディアバティックデータでは 最悪の場合の逃走行動が示されています: 自熱速,最大温度,最大圧力,分解開始.両方とも完全な熱的危険評価のために必要です:通常の動作設計のための熱流,緊急救助のサイズと脱出リスク評価のためのアディアバティック.