Reactie Calorimeters

Ontwerp en opschaling van procesveiligheid

Een reactiecalorimeter is een hulpmiddel dat door wetenschappers in de chemische en farmaceutische ontwikkeling wordt gebruikt om de hoeveelheid energie te meten die vrijkomt of wordt geabsorbeerd door een chemische of fysische reactie.

Het bestaat meestal uit een geroerde tankreactor van variabele grootte waarin de temperatuur van de reactiemassa wordt bewaakt en nauwkeurig wordt geregeld, samen met alle relevante kritische procesparameters.

Reactiecalorimeters maken het mogelijk om chemische processen onder procesachtige omstandigheden te onderzoeken en bieden een volledige set informatie over de schaalbaarheid en veiligheid van het proces.

Afhankelijk van het ontwikkelingsstadium kan ook aanvullende informatie relevant zijn. Zo kunnen aanvullende gegevens (bijv. analytische gegevens van infrarood, Raman, HPLC of iets dergelijks) worden verzameld en geïntegreerd met de warmtestroomgegevens.

Neem vandaag nog contact met ons op voor meer informatie over instrumenten voor reactiecalorimetrie.

Reaction Calorimeters for Screening, Process Development, and Process Safety Studies

RC1mx HFCal™

Ensure Safety by Design

World-leading reaction calorimeter for process safety and scale-up.

Temperature Range: -70 °C – 300 °C
Operating Volume: 100 mL – 22 L

Optimax HFCal™

Detect Non-Scalable Conditions

For fast and efficient safety studies for process characterization and scale-up.

Temperature Range: -40 °C – 180 °C
Operating Volume: 60 mL – 1,000 mL

EasyMax 402 HFCal™

Calorimetry for Safety Screening

Designed for fast and efficient safety screening and characterization of chemical processes early in development.

Temperature Range: -40 °C – 180 °C
Operating Volume: 40 mL – 400 mL

EasyMax 102 HFCal™

Calorimetry for Safety Screening

Designed for fast and efficient safety screening and characterization of chemical reactions at small scale.

Temperature Range: -40 °C – 180 °C
Operating Volume: 30 mL – 100 mL

EasyMax 102 LT HFCal™

Developed for Low Temperatures

Facilitates low temperatures at the push of a button. Special purging of the reactor zone prevents icing.

Temperature Range: -90 °C – 80 °C
Operating Volume: 30 mL – 100 mL

De RC1mx™ reactiecalorimeter is de "gouden standaard" in de industrie voor het meten van warmteprofielen, chemische conversie en warmteoverdracht onder procesachtige omstandigheden. RC1mx biedt een moderne oplossing met een krachtige thermostaat als middelpunt. RC1mx stelt chemische- en veiligheidsingenieurs in staat om processen onder veilige omstandigheden te optimaliseren, terwijl alle kritische procesparameters worden bepaald en het risico op falen op grote schaal wordt verminderd.

OptiMax HFCal, EasyMax 402 HFCal en EasyMax 102 HFCal zijn kleinschaligere warmtestroomcalorimeters die de voordelen van een synthesewerkstation en een reactiecalorimeter combineren. Deze calorimetrie-instrumenten zijn ontworpen voor het screenen en opschalen van procesveiligheid en bieden al vroeg in het ontwikkelingsproces relevante reactie-informatie.

Real-time reactie calorimetrie gegevens

De ontwikkeling en optimalisatie van chemische processen vereist de bepaling van een verscheidenheid aan verschillende soorten informatie om de beste beslissingen te nemen. Het is gebruikelijk om analytische gegevens, zoals infrarood (IR),Raman, deeltjesgrootteverdeling of concentratie, online en in realtime te verzamelen om kinetische modellen te maken en mechanistisch inzicht te krijgen. Het in realtime verzamelen van gegevens over de afgifte van warmte is absoluut noodzakelijk om veilige en duurzame chemische processen te ontwerpen.

Reactorsystemen die het mogelijk maken om reacties in realtime te scannen voor warmteafgifte, geven onmiddellijke feedback over de voortgang van de reactie en stellen gebruikers in staat om onmiddellijk corrigerende maatregelen te nemen. Online warmtegegevens in realtime worden vaak gebruikt om het proces te regelen door kritieke procesparameters aan te passen, zoals de toevoegingssnelheid van reactanten, het regelen van de druk, de roersnelheid of een andere procesparameter.

Met de RTCal-reactor™ maakt de onderzoeker gebruik van een PAT-tool (Process Analytical Technology) waarmee reacties in realtime kunnen worden gevolgd. Het levert waardevolle warmte-informatie over het verloop van de reactie zonder dat er specialistische kennis nodig is. RTCal-technologie™ maakt gebruik van warmtefluxsensoren die in de reactor zijn ingebouwd en de warmtestroom over de wand van de reactor detecteren.

De meting van warmtegegevens met RTCal™ is onafhankelijk van de eigenschappen of het gedrag van de reactiemassa. Daarom hoeven er geen kalibratieprocedures te worden uitgevoerd voor, tijdens of na de reactie, wat de experimenteertijd aanzienlijk verkort.

Toon meer

Veilige processen op elke schaal

De reactiecalorimeters van METTLER TOLEDO maken veiligheidsscreening mogelijk van laboratorium- tot fabrieksschaal om een veilige en robuuste opschaling te garanderen. Telkens wanneer een proces wordt opgeschaald, moeten kritische variabelen worden onderzocht die van invloed zijn op de prestaties of het resultaat. In sommige gevallen is de gekozen route niet schaalbaar vanwege dure of schaarse uitgangsmaterialen, omstandigheden die moeilijk te beheersen zijn in grote schepen of mogelijke veiligheidsrisico's en moet daarom worden aangepast.

Dit vereist het onderzoek naar schaalafhankelijke variabelen, zoals doseringssnelheden, mengen of massaoverdracht. Een van de belangrijkste stukjes informatie om een proces veilig in productie te nemen, is echter het inzicht in de totale vrijgekomen warmte, de warmteafgiftesnelheid, de accumulatie van reactant(en) of energie, evenals de stabiliteit van de reactiemassa en de afzonderlijke componenten.

Reactiecalorimetriestudies leveren bewijs van de kritische procesparameters en hun impact op het proces, de maakbaarheid, de opbrengst en de kwaliteit van het product of tussenproduct.

Aangezien chemische reacties worden beïnvloed door verschillende parameters, zoals concentratie, additiesnelheid, temperatuur, oplosmiddel, katalysator en pH-waarde, verhoogt de naadloze integratie van online analyses of geautomatiseerde bemonsteringstools in de reactiecalorimeter de waarde van het onderzoek enorm.

Gegevensrijke experimenten die zowel calorimetrie als analytische informatie bevatten, ondersteunen effectief de huidige behoeften om veilige en robuuste processen snel te ontwikkelen en effectief van het laboratorium naar de fabriek over te brengen.

Toon meer

chemie bij temperaturen onder de omgevingstemperatuur

Chemie bij subomgevingstemperatuur

LowTemp (LT) reactormodellen breiden de temperatuurontwerpruimte uit tot -90 °C voor de ontdekking van nieuwe synthetische routes, procesoptimalisatie en het ontwerp van reacties, waaronder organometallische metalering en lithiatiereacties onder omgevingsomstandigheden.

In tegenstelling tot traditionele apparatuur met discrete temperaturen van 0 °C, -21 °C (natriumchloride in ijs) en -78 °C (aceton/droogijs), regelen onze LowTemp-reactoren de experimentele omstandigheden nauwkeurig langs een breed temperatuurbereik - zelfs wanneer ze onbeheerd zijn.

Combineer de EasyMax LT met de HFCal-upgradekit om de chemie bij de meest extreme temperaturen af te dekken.

Calorimetrie bij screening op procesveiligheid

Het succesvol op de markt brengen van nieuwe chemische of farmaceutische entiteiten vereist innovatieve ideeën, creatieve onderzoekers en moderne tools die een effectieve ontwikkelingsworkflow ondersteunen. Reactiecalorimeters maken het volgende mogelijk:

Experimenten die op kleine schaal moeten worden uitgevoerd vanwege een gebrek aan materiaal
Nauwkeurige gegevensverzameling
Toepassing van gegevens op statistische benaderingen (bijv. Design of Experiments (DoE)-studies)
Vertrouwen om schaalbaarheids- en veiligheidsproblemen in een vroeg ontwikkelingsstadium te identificeren

Uitgebreide procesveiligheidsstudies

Reactiecalorimeters leveren betrouwbare gegevens om de relevante veiligheidsparameters te berekenen en potentiële risico's te begrijpen. Om de veiligheidsoverwegingen te verbeteren, worden reactiecalorimeters vaak gecombineerd met software om:

Reactiecalorimetriegegevens automatisch omzetten in veiligheidsinformatie
Analyseer het thermische risico (bijv. thermische accumulatie, ΔTadiabatic, MTSR)
Automatisch rapporten genereren en delen

Versnel procesontwikkeling met Dynochem

Dynochem software voor het modelleren van chemische reacties zorgt voor effectief mengen en warmteoverdracht bij het opschalen van reacties. Vergelijk eenvoudig en snel reactoren op laboratorium-, pilot- en productieschaal en vind de juiste mengparameters om de overdracht van reactor-naar-reactorproces veilig te versnellen. Met gegevens die worden geleverd door reactiecalorimetrie en Dynochem-modellering, zorgt u snel voor chemische procesveiligheid en procesprestaties op verschillende schalen.

Veelgestelde vragen over reactiecalorimetrie

Wat is reactiecalorimetrie?

Reactiecalorimetrie meet de warmte die vrijkomt bij een chemische reactie of fysisch proces en biedt de basisprincipes van de thermochemie en kinetiek van een reactie.

De verkregen informatie is essentieel om de warmteafgifte van een chemische reactie in de loop van de tijd te beschrijven en om deze veilig van het laboratorium naar de fabriek over te brengen.

Reactiecalorimetrie brengt onverwacht gedrag aan het licht en maakt eventuele schaalbaarheidsproblemen zichtbaar en kwantificeerbaar. Het helpt ook bij het identificeren van problemen met betrekking tot warmte- en massaoverdracht of mengen, en maakt het mogelijk om de juiste temperatuur, roer- of doseringsprofiel van een bepaalde reactie of proces te bepalen. De verkregen informatie wordt vervolgens gebruikt om het risico, de schaalbaarheid en de kriticiteit van een proces te evalueren.

Reactiecalorimetriegegevens worden gebruikt om procesparameters te karakteriseren, optimaliseren en begrijpen in een gecontroleerde, nauwkeurige en reproduceerbare omgeving, waardoor veilige opschaling en overdracht naar productie mogelijk is.

Wat is warmtestroomcalorimetrie?

Warmtestroomcalorimetrie is de eenvoudigste en meest robuuste methode voor het bepalen van de warmte die vrijkomt door een chemische reactie of fysisch proces. Het wordt ondersteund door alle werkstations van METTLER TOLEDO voor reactiecalorimetrie. Warmtestroomcalorimetrie is zeer gevoelig en toepasbaar onder de meeste omstandigheden, en biedt een uitstekende herhaalbaarheid.

Het principe van de warmtestroomcalorimetrie is gebaseerd op het meten van het temperatuurverschil over de reactorwand, dat vervolgens wordt omgezet in een warmtestroom door de warmteoverdrachtscoëfficiënt te meten.

De warmteoverdrachtscoëfficiënt is afhankelijk van het type chemie, de reactieomstandigheden en het reactormateriaal en wordt bepaald met behulp van een elektrische referentieverwarming.

Om echte en nauwkeurige gegevens te krijgen, is elk werkstation en elke reactor voorzien van een Thermal Analysis (Ta)-model dat de warmtestroom door de reactorwanden corrigeert, rekening houdend met de thermische geleidbaarheid en dikte van de reactorwand, de thermische weerstand van de reactiemassafilm en de thermische weerstand van de oliefilm.

De methode van heatflowcalorimetrie is toepasbaar op zowel kleine als grote schaal en vormt de basis voor alle chemische procesontwikkelingsprojecten , procesopschaling en onderzoeken naar chemische procesveiligheid.

Wat is de waarde van reactiecalorimetrie?

Reactiecalorimeters maken de efficiënte en veilige ontwikkeling van processen op schaal mogelijk.

Naarmate een reactie wordt opgeschaald van laboratorium naar fabriek, kunnen er om verschillende redenen plotseling schaalbaarheidsproblemen ontstaan. In het ergste geval kunnen niet-geïdentificeerde reactierisico's leiden tot een op hol geslagen reactie gevolgd door een explosie. De oorzaken van thermische incidenten worden vaak toegeschreven aan:

Gebrek aan begrip van de chemie of de thermochemie van een proces
Onvermogen om warmte af te voeren
Slecht of slecht begrepen menggedrag
Menselijke factoren

Incidenten kunnen worden voorkomen door de relevante data op labschaal te bepalen. Het laboratoriumwerk wordt uitgevoerd onder procesachtige omstandigheden met behulp van reactiecalorimeters, zodat de resultaten direct kunnen worden toegepast op operaties op grotere schaal.

Reactiecalorimetrie biedt een hoog niveau van procesbegrip, zodat de noodzakelijke procedures routinematig, robuust en volgens de vereiste kwaliteitsnormen kunnen worden uitgevoerd.

Hoe kunt u onder alle omstandigheden nauwkeurige en precieze calorimetrische gegevens verkrijgen?

Nauwkeurige en precieze warmtestroomgegevens zijn essentieel voor de overgang van laboratorium naar fabriek. Een krachtig verwarmings- en koelsysteem in combinatie met een gevoelig temperatuurmeet- en regelsysteem is een voorwaarde voor het verkrijgen van nauwkeurige en nauwkeurige warmte-informatie over een chemisch proces. Dit omvat details over de warmte van de reactie, de totale warmtestroombalans, de massa en warmteoverdracht en de specifieke warmte van de reactiemassa.

De totale warmtestroombalans van een chemisch proces zelf omvat een verscheidenheid aan thermische effecten, zoals de accumulatie van warmte, warmtewisseling door toevoegingen van reactanten of oplosmiddelen, warmte door veranderende viscositeit, warmteverlies, enz.

Voor reacties die onder wisselende temperatuuromstandigheden worden uitgevoerd, wordt warmteaccumulatie een belangrijke factor bij de berekening van de warmte van de reactie (warmte die vrijkomt als functie van de tijd). In dit geval is de correctie van isotherme naar niet-isotherme temperatuurregeling essentieel en speelt het Thermal Analysis (Ta) model een uiterst belangrijke rol.

De reactiecalorimeters en iControl-software van METTLER TOLEDO maken gebruik van geavanceerde berekeningsalgoritmen. Deze houden rekening met het dynamische gedrag van de reactorwand, de warmtecapaciteiten van het vat en de reactorinzetstukken - en leveren calorimetrische gegevens met maximale nauwkeurigheid en precisie.

Wat is reactiewarmte?

De reactiewarmte, of reactie-enthalpie, is de energie die vrijkomt of wordt geabsorbeerd tijdens een chemische reactie. Wanneer reactanten worden omgezet in producten, beschrijft het hoe de energie-inhoud verandert. Hoewel er endotherme (warmteabsorberende) en exotherme (warmteafgifte) reacties zijn, zijn de meeste reacties die in de chemische en farmaceutische sector worden uitgevoerd, exotherm. De reactiewarmte is een van de thermodynamische kenmerken die onder andere wordt gebruikt in chemisch onderzoek, opschaling en veiligheidsprocessen van laboratoriumschaal naar productie.

Meer informatie over reactiewarmte en reactie-enthalpie.

Kan ik mijn reactiecalorimeter aansluiten op accessoires van derden?

Ja! Het Easy Control Box (ECB)-accessoire (apart verkrijgbaar) breidt uw reactiecalorimeter uit met geautomatiseerde controle en gegevensvastlegging van apparaten van derden, inclusief sensoren, doserings- en bemonsteringsoplossingen.

ECB biedt mogelijkheden voor doseringsregeling en sluit eenvoudig in de handel verkrijgbare pompen en balansen aan voor geautomatiseerde voorgeprogrammeerde gravimetrische of volumetrische dosering. Het accessoire heeft plug-and-play meetfunctionaliteit met SmartConnect Technology Sensors. Bedieningselementen worden automatisch herkend, waardoor de configuratie van het reactorsysteem een eenvoudige taak is.

Meer informatie over Easy Control Box (ECB).

Bronnen voor reactiecalorimetrie

Gelinski, E.K., Sheibat-Othman, N., & McKenna, T.F.L. (2023). Massaoverdracht bij emulsiepolymerisatie: een experimentele en modelleringsstudie. Canadian Journal of Chemical Engineering/ ̃the œCanadian Journal of Chemical Engineering, 102(2), 532-547. https://doi.org/10.1002/cjce.25120
Nandi, S., Padrela, L., Tajber, L., & Collas, A. (2023). Nucleatiekinetiek-gebaseerde oplosmiddelselectie voor de vloeibare antisolventkristallisatie van een lipofiel tussenproduct. Journal of Molecular Liquids, 375, 121306. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.121306
Quan, Y., Parker, T., Hua, Y., Jeong, H., & Wang, Q. (2023). Procesopheldering en gevarenanalyse van de Metal-Organic Framework Scale-Up Synthesis: een casestudy van ZIF-8. Industrial & Engineering Chemistry Research, 62(12), 5035-5041. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04570
Yang, Q., Canturk, B., Gray, K., McCusker, E., Sheng, M., & Li, F. (2018). Evaluatie van potentiële veiligheidsrisico's in verband met de Suzuki-Miyaura-kruiskoppeling van arylbromides met vinylboriumsoorten. Onderzoek en ontwikkeling van organische processen, 22(3), 351-359. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00001
Monteiro, A.M., & Flanagan, R.C. (2017). Procesveiligheidsoverwegingen voor het gebruik van 1 m boraantetrahydrofuraancomplex onder algemene fabrieksomstandigheden. Onderzoek en ontwikkeling van organische processen, 21(2), 241-246. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00407
Hua, M., Qi, M., Pan, X., Yu, W., Zhang, L., & Jiang, J. (2017). Inherent veiliger ontwerp voor de synthese van 3-methylpyridine-N-oxide. Vooruitgang op het gebied van procesveiligheid, 37(3), 355-361. https://doi.org/10.1002/prs.11952
Jyotsna, G. K., Srikanth, S., Ratnaparkhi, V., Rakeshwar, B. (2017). Reactiecalorimetrie als een instrument voor thermische risicobeoordeling en verbetering van veilige schaalbare chemische processen. Inorg Chem Ind J.,12(1),110.
Pečar, D., & Goršek, A. (2015). Saponificatiereactiesysteem: een gedetailleerde bepaling van de massaoverdrachtscoëfficiënt. Acta Chimica Slovenica, 62(1). https://doi.org/10.17344/acsi.2014.1110
Wang, J., Huang, Y., Wilhite, BA, Papadaki, M., & Mannan, MS (2018). Op weg naar de identificatie van geïntensiveerde reactiecondities met behulp van responsoppervlaktemethodologie: een casestudy over de synthese van 3-methylpyridine N-oxide. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(15), 6093-6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
Lakshminarasimhan, T. (2014). Voorspellen van 24 en 8 uur adiabatische ontledingstemperatuur voor reacties bij lage temperaturen door kinetische aanpassing van niet-isothermische warmtegegevens van de reactiecalorimeter (RC1e). Onderzoek en ontwikkeling van organische processen, 18(2), 315-320. https://doi.org/10.1021/op400301f
Mitchell, C.W., Strawser, J.D., Gottlieb, A., Millonig, M.H., Hicks, F.A., & Papageorgiou, C.D. (2014). Ontwikkeling van een op modellering gebaseerde strategie voor de veilige en effectieve opschaling van hoog-energetische hydrogeneringsreacties. Onderzoek en ontwikkeling van organische processen, 18(12), 1828-1835. https://doi.org/10.1021/op500207r

Voorgestelde zoekopdrachten