更安全的批量和半批量反应扩大;第2部分 - 定量所需反应

Donald J. Knoechel，博士，高级咨询工程师，Fauske & Associates, LLC

这是四个文章Fauske＆Associates的第二个，LLC将发布关于批量和半批次反应更安全扩大的主题。第一篇文章讨论了桌面评论和初步危险分析：更安全的分批和半批量反应扩大;第1部分。第二篇文章描述了表征所需反应及其对扩展的影响。

在第一篇文章中提到的热逃逸的四个原因中，有两个与预期反应的行为有关:

1.对过程化学和所需反应的能量/动力学的理解不足

2.工厂层面所需的传热能力设计不当

第一个原因直接这样。间接地，第二种原因，因为它是所需反应热的管理，并导致失控。事实上，在OSHA过程安全管理的过程设备部分，需要一种能量平衡。

虽然这一条款的重点是工厂设备及其处理该过程的传热能力，但如果不了解反应热和该过程化学产生热量的速率，就无法写出能量平衡。

Stoessel的临界类¹作为放热反应安全过程放大的通用指南。在这种方法中，合成反应的最高温度(MTSR)是需要确定的关键属性之一。MTSR就是过程温度加上绝热温升(ΔT_广告)，由于所需的反应热，两者中的后者发生在由绝热条件模拟的冷却损失情景中。

这两个例子表明，知道反应热和反应速率是安全过程扩大的关键参数。FAI以前的通讯文章分别阐述了理论反应热(THOR)计算和反应量热法(RC)作为计算或测量反应热的方法。虽然前者足以计算MTSR(给定反应质量的热容)，但需要过程化学的转换与时间的实验数据或反应时间的假设，以创建一个能量平衡的反应热速率。RC提供了一个解决方案，即反应热和热速率都来自于同一个实验。

反应的理论热量（Thor）

Weisenburger等人的论文。²呈现了对反应估计的理论热的一项非常全面的研究，并且在可以使用计算时的测量和轮廓轮廓。最值得注意的是，对于声音的任何反应估计，所涉及的物种或代表性模型化合物的形成的焓的值必须可用或合理地估计。当然，也必须知道代表令人担忧的过程反应的平衡化学方程。编译时，根据等式1组合相关的形成热量1

ΔH._RX.=ΣνΔH_F产品- Σ νΔH_F反应物（1）

其中ν是平衡化学方程中各反应物或产品的化学计量系数。

生成热可以从文献中得到，无论是实际化合物还是模型化合物。然而，分子越复杂，其生成热的值就越不可能被找到。相反，这是模型化合物可以有效替代实际化合物的地方。一个模型化合物将更复杂的结构提炼出来，只剩下它的反应部分。

通过手中的估计反应热，可以给出用于使用实际或近似热容量的过程配方进行冷却场景损失的绝热温度升高的计算。

但并非每种类型的过程化学都能为托尔提供。另外，由于混合，溶解，络合，结晶或其他物理效应引起的同时热量可以使计算复杂化到估计的点不准确。在这些情况下，反应量热法是反应测定热的优选技术。

反应量热法(RC)

反应量热计有很多种形式:热流、热流或功率补偿。不考虑潜在的量热原理，RC的共同交付是热流剖面。这是以瓦特表示的热速率，或以瓦特/千克为标准的反应质量与过程时间的比值，在此过程中，在等温条件下或在温度陡坡下进行某种试剂的添加以启动反应，或两者兼有。热流剖面下的面积计算总热量，通过将总热量归一化到反应质量或限制反应物的摩尔来确定反应热。总热量除以热质量(质量乘以热容)提供绝热温升(计算MTSR)。

热流曲线的形状提供有关反应动力学的信息。对于存在试剂添加的半批量过程，试剂积累的程度是RC热流曲线容易示出的重要概念。如果试剂在加入时几乎瞬时反应，则据说该方法是另外的限制。热速率分布将类似于通过添加速率实现的热速率水平的方波。添加后，热速率将快速脱落。如果反应比试剂加成的速率慢，则未反应的试剂将积聚。在这种情况下，热流轮廓在大部分时间内稳定地升高，但在加法结束时并不总是达到峰值。添加后结束后，热速率慢慢衰减。在发生偏差时停止的冷却场景的损失时，累积的热量仍然可用于导致温度升高，可能启动热失控。

FAI工具箱中的反应量热计是Mettler-Toledo RC1（热流），Chemisens CPA202（热量通量）和热危险技术μRC（热量通量）。

从预期的化学反应产生气体

许多工艺化学过程故意产生不凝性气体。使用氢化物还原(例如硼氢化钠、铝氢化锂、二异丁基氢化铝、三乙酰氧基硼氢化钠)，当试剂遇到底物上的酸性质子时，或在反应后淬灭多余试剂时，可产生氢。丁基锂和一些格氏试剂可以生成低分子量的烃类，这些烃类可能溶于也可能不溶于反应质量中。任何含有碳酸盐或重碳酸盐的反应都能产生二氧化碳。

通常，确定由这些类型的化学物质产生的气体的量仅仅是化学计量中的运动中的运动。这是雷神方法的延伸。虽然气体估计的总摩尔数可以相当准确，但它往往有问题的速度。在平衡上配备有通气线泡柱，质量流量计，湿式测试表或洗涤器的反应量热计可用于遵循反应器以及热流的气体。

简化的能量平衡

所期望反应的量化的高潮是热速率放大计算，由此可以写出一个简化的能量平衡来证明过程设备有足够的冷却能力(或没有)来处理大规模的过程化学。

从用于将实验数据蒸馏到热流曲线的Mettler-toledo RC1反应量热计的热流平衡中使用的相同方程可用于对工厂进行简单的热速率比例计算。所述热平衡中的术语是：

热输入(从增加反应堆)- Q_在= M._添加CP_添加（T._R.- T._添加/ t._添加

热一代（来自反应） - Q_gen=(ΔH_RX.）（限制试剂或kg反应质量的摩尔数）/ t_RX.

热删除（从夹克，冷凝器，热交换器等） - Q_出去= - ua (t_R.- T_j）

热积累(反应质量温度变化)- Q_accum= - m_R.CP_R.（T._F- T._一世/ t._T.

其中m_添加是添加的流的质量，cp_添加是增加的气流的热容，T_R.反应温度是T吗_添加增加的水流温度是t吗_添加添加时间是ΔH吗_RX.是每摩尔的反应热，限制Kg反应物质的试剂（来自Thor或RC），T_RX.为反应时间，U为传热系数，A为传热面积，T_j是夹克温度，m_R.是反应质量，cp_R.是反应的质量热容，在非等温过程中，T_F最终温度是T吗_一世是初始温度和t_T.为反应质量温度变化的时间。在累积项中我们注意到反应温度的时间导数(dT_R./dt)近似为初始反应质量温度T的线性化差_一世和最终反应的质量温度T_F随着时间的推移T._T.．

能量平衡如下:输入+生成=移除+积累

可以根据需要输入各种温度项。热容项是反应量热法实验的常见结果，尽管许多纯组分的热容，特别是溶剂，是已知的^3.．如果没有，一般使用2000 J/kg-K的有机组分和1000 J/kg-K的无机组分的一般化值。在简化的能量平衡中，最难以捉摸的项是传热系数。对于夹套容器，U值取决于结构材料和夹套设施，但可以从容器制造商(例如Pfaudler或DeDietrich)获得近似值。传热面积，A，很容易从相同来源的容器尺寸与填充体积给定的容器尺寸计算出来。

在没有UA的估计的情况下，它可以始终以特定的填充体积和在实际血管中的特定填充体积和搅拌速率从感兴趣的温度范围内衍生自特定填充物质的冷却曲线。没有反应或加法，上面的简化能量平衡坍塌以仅仅是散热和累积术语，使得U * a = -mcp（dt_R./ dt）/（t_R.- T._j）。对于具有多个温度探针的血管，可以使用平均挡板和底部阀温度来使用_R.（和dt._R./ dt）。对于夹克温度，可以使用入口和出口夹套温度的平均值_j．对于已知的Cp物质，可以是Cp的常数(即@ 25°C)或温度相关方程(来自DIPPR数据库)^3.例如）可以使用。

所以ΔH._RX.简化的能量平衡可以用来预测是否有足够规模的冷却能力。能量平衡最简单的方法是假设在等温条件下，累积项为零。然后，对于半间歇过程，给定添加流的温度、添加时间和假设的反应时间，可以计算出维持所需反应质量温度所需的夹套服务温度。另外，给定添加的流体温度、假设的反应时间和可用的夹套使用温度，可以计算出维持所需反应质量温度所需的最小添加时间。

简化方法中的最大假设假设近似的添加有限的热演化行为(比如试剂积累< 15%)。这样，除非对反应能的积累有专门的了解，否则反应热在加入的时间内是平均的。对于积累大于15%的情况，可以分别计算添加期间和添加后反应时间的峰值热负荷处理。对于较大的体积增加，A或UA的平均值(在已知UA vs. volume的情况下)是从实际涉及的体积范围计算出来的。

总是有许多过程情况，其中一个或多个上述假设无效。然而，记得简化能量平衡的主要目的是展示预期设备和公用事业的能力来处理所需的过程能量。简化的格式很容易完成这一点的大多数时间。如果结果表明挑战，能量平衡会使有价值的见解对在修改条件下安全地执行该过程的可能性（降低T._j，较长的t._添加例如，另外的传热区域[侧环热交换器]。对于需要更长的蝌蚪的情况，实验室确认是重要的是，在在规模执行过程之前，更长的添加时间不会引入新的杂质或其他不期望的过程行为。

用绝热量热法表征不良反应

知道工厂设备能在所需条件下处理这一过程并不是故事的结局。在发生工艺偏差(冷却损失，所有附加因素，火灾等)时保护工厂设备，需要对不希望的工艺行为和泄气孔尺寸进行表征。托尔和RC的绝热温升推算仅限于所需反应的能量。这些并不代表整个失控场景，而只是一个可能的最小值。在实际的绝热条件下，当实际温度升高时，可能会引发进一步的反应(用它们自身的反应热)，这可能会导致温度(和压力)进一步升高，直到所有反应/分解组分都被消耗掉。探索工艺颠覆的领域需要绝热量热法。绝热量热法和反应量热法的重叠之处在于，绝热实验往往但不完全是将期望的反应作为失控的触发。同样，如果有排气，则需要对排气速率进行量化，以确保工艺排气能力足够。

因此，本系列的第三篇文章将讨论如何用绝热量热法来描述不期望的反应行为，并使用后续的温度速率和压力速率数据进行适当的分析浮雕阀尺寸即使在失控的情况下，为了保持植物设备的完整。

第3部分现在出来了！

参考文献

1. Stoessel，F.，“化学过程的热安全：风险评估和工艺设计”，Wiley-VCH，2008。
2. 魏森伯格等，“反应热的测定:测量和估计技术的比较”，有机工艺研究与发展，2007那11., 1112 - 1125。
3. DIPPR信息和数据评估管理员，用于物理属性设计研究所，V 9.0.1，数据库日期2015，Brigham Young University。

#过程化学#反应量热法#化学过程#放大