Evite reacciones químicas en cadena

El análisis de la dinámica de las reacciones permite a los científicos definir situaciones fuera de control y establecer el procedimiento ideal de reacción. La medición, el cálculo y la comprensión de los parámetros siguientes son esenciales para evaluar y evitar riesgos en un proceso químico. De esta forma, los científicos pueden realizar predicciones sobre los perfiles de temperatura y dosificación, concentraciones o la temperatura máxima de funcionamiento. Desde el punto de vista de la termoquímica, la información clave es:

1. Acumulación
2. El aumento de la temperatura adiabática
3. Capacidad calorífica
4. La entalpía de la reacción
5. Tasa de producción de calor o calor de reacción
6. MTSR (temperatura máxima de una síntesis de reacción)
7. Reacción deseada, reacción no deseada, descomposición, embalamiento térmico

La acumulación suele referirse al material que se dosifica durante una reacción semidiscontinua, que no reacciona inmediatamente, o energía que se acumula porque la producción de calor es mayor que la de la capacidad de eliminación de calor.

Si la concentración de acumulaciones de materias primas sin reaccionar, se genera un riesgo si la refrigeración falla. Esto puede medirse mediante un calorímetro de reacción determinando la velocidad a la que se genera el calor, en comparación con la velocidad de la adición. Asimismo, se puede usar laespectroscopía FTIR in situ para medir directamente la concentración del reactivo sin reaccionar.

La acumulación térmica describe la variación del contenido de energía de un sistema y se debe a que la producción de calor es mayor que la capacidad de eliminación de calor, lo que provoca un cambio de temperatura. La medición de capacidad de calor y el cambio de temperatura por un calorímetro de reacción permiten calcular la acumulación térmica y la derivación del verdadero calor de reacción.

El aumento de la temperatura adiabática es una propiedad que se calcula para cualquier reacción determinada con el fin de indicar la gravedad potencial de un fallo de refrigeración u otra alteración de proceso. Depende de la cantidad total de energía que se libera (entalpía de reacciones), la masa total de la mezcla de reacción, y la capacidad de calor específica del sistema. Resulta de particular importancia saber si  podría llevar la mezcla de reacción a una temperatura en la que pudiera producirse una reacción secundaria o de descomposición. El aumento de la temperatura adiabática se calcula fácilmente mediante un calorímetro de reacción para ofrecer una indicación sencilla del "peor de los casos" del aumento de temperatura. Los cálculos más sofisticados, como los que realiza iC Safety, pueden obtener parámetros relacionados, como la temperatura máxima de la reacción de síntesis (MTSR), un parámetro más útil para los estudios de escalado.

La capacidad calorífica o la capacidad calorífica específica de una materia representan la cantidad de energía requerida para aumentar la temperatura de un kilogramo de la materia un grado centígrado. Por consiguiente, la unidad estándar de la capacidad calorífica es kJ/kg.K-1. Esta propiedad desempeña un papel directo en el cálculo de la acumulación de calor, el aumento de la temperatura adiabática y la MTSR. Puesto que varía según la naturaleza del contenido del reactor, es necesario determinar de forma experimental la capacidad calorífica de la mezcla como parte del estudio de seguridad del proceso. Esto supone la ventaja adicional de que dichos datos suelen ser bien recibidos por los ingenieros que trabajan en el escalado, ya que permiten calcular el balance general de energía del proceso.

La entalpía de una reacción química es el cambio de entalpía que se produce cuando las sustancias se transforman debido a una reacción química. Además, informa al científico acerca de cuánta energía se desprende de un proceso en total, y se mide mediante un calorímetro de reacción. La entalpía de la reacción se calcula integrando el calor de la tendencia de reacción con el tiempo.

La tasa de producción de calor o calor de reacción está relacionado con la entalpía general de la reacción, pero tiene en cuenta cómo se libera la energía en función del tiempo. Esto consta de una importancia fundamental, puesto que la entalpía total de la reacción puede no ser esencial, pero la velocidad a la que se libera la energía puede constituir la diferencia entre un proceso seguro y uno peligroso.

El calor de reacción proporciona información vital en relación con el inicio y el final de la reacción, la posible acumulación de reactivos, la máxima evolución del calor, la cinética de reacción, y la cinética y capacidad de refrigeración necesarias del reactor. La velocidad a la que se produce el calor se ve influenciada por varios factores, incluidos la temperatura, la velocidad de dosificación, la concentración, la cinética y el mezclado. 

La determinación del calor de reacción requiere conocer el balance general de flujo de calor, incluida la cantidad de energía que fluye a través de la pared del reactor (qflow), la cantidad que se puede añadir o consumir durante la dosificación (qdos) y la cantidad acumulada debido al aumento de temperatura (qaccu). Su valor integral representa la entalpía de la reacción.

La temperatura máxima de la reacción de síntesis (MTSR) constituye uno de los conceptos básicos de la seguridad del proceso de un reactor por semilotes. Sirve para describir la evolución de la temperatura después de un fallo debido a la cantidad de materia sin reaccionar que estaba presente en el momento del fallo de refrigeración. Empezando por la temperatura del proceso, el cálculo de la MTSR se lleva a cabo de forma dinámica para determinar la temperatura más elevada que la mezcla de reacción alcanzará suponiendo que toda la energía de reacción permanece dentro de este (es decir, que el sistema es o se vuelve adiabático). El calorímetro de reacción es una herramienta esencial para la medición del calor de la reacción, la acumulación de reactivos y la MTSR. Es importante tener en cuenta que esta propiedad solo afecta a la reacción (de síntesis) deseada, y que se deben llevar a cabo procedimientos adicionales (calorimetría diferencial de barrido o DSC) para entender los efectos de cualquier reacción posterior secundaria o de descomposición.

Un embalamiento térmico o explosión térmica puede ser la consecuencia de un proceso adiabático de una reacción o serie de reacciones. Se produce cuando el calor producido por una reacción exotérmica se acumula y provoca un aumento de la temperatura de la mezcla de reacción. Posteriormente, aumenta la velocidad de reacción, lo que hace que aumente la velocidad de generación de calor.

El aumento de la temperatura puede desencadenar reacciones secundarias, como la descomposición de la masa de reacción, los productos intermedios o el producto final, de forma que produce un embalamiento térmico. Al llevar a cabo los estudios del proceso adecuados en el laboratorio, es posible detectar y evitar las condiciones que producen un embalamiento térmico antes del escalado del proceso.

Resulta muy importante estudiar tanto las reacciones deseadas como las potencialmente no deseadas. Aunque las reacciones no deseadas se investigan con calorímetros adiabáticos, frascos de Dewar o DSC, la reacción deseada se suele estudiar con un calorímetro de reacción.

El calorímetro de reacción sirve para determinar factores clave como el calor de reacción, la acumulación, el aumento de la temperatura adiabática y la MTSR para entender la consecuencia de un fallo de refrigeración. De hecho, sirve para determinar si la reacción de síntesis deseada podría hacer desestabilizar el proceso y producir una reacción secundaria.

En la mayoría de los casos, la reacción secundaria libera más energía y con mayor rapidez que la reacción deseada, mientras la instalación de la producción no puede eliminar dicha energía de forma segura. Por ello, es necesario diseñar la reacción para que no se produzcan condiciones potencialmente peligrosas, o para definir mediciones adecuadas con las que garantizar que el proceso permanece bajo control de forma segura en todo momento.

Los calorímetros de reacción determinan una variedad de parámetros relacionados con la seguridad de gran exactitud. El uso de sistemas diseñados para su finalidad es fundamental para el suministro de datos calorimétricos precisos y de alta calidad.

Los termostatos de METTLER TOLEDO están equipados con principios únicos de refrigeración instantánea para ofrecer respuestas rápidas y un control exacto, a fin de garantizar las mejores y más seguras condiciones de trabajo.

El uso de hardware diseñado para el propósito, junto con parámetros de software avanzados y fáciles de usar (como el calor específico, la transferencia de calor, el auténtico calor de reacción y la acumulación de productos y calor) se calculan de forma exacta durante toda la reacción química. Esto proporciona datos esenciales a los ingenieros químicos para la seguridad y el escalado de los procesos.