反应热

在很长一段时间内，安全因素已经成为化学过程开发的一个不可或缺的要素，在设计中试或大规模过程时，通常会制定安全原则。行业协会与联邦当局（例如：CSB、OSHA（美国）、HSE（英国）、EU-OSHA、EPSC（欧盟）或IPE以及中国的国家安全生产监督管理局（SAWS）均要求化工与制药行业遵守制定确保安全生产的法规要求。提供的指令侧重于避免化工与制药行业发生意外事件与事故。

风险评估不仅需要描述物质特性的关键化学数据，而且需要关于过程本身的信息。在其他热学信息中，反应热是一个必要参数，可用于获取与安全过程相关的信息以及积累过程安全知识。积累过程安全知识还需要了解目标与非目标反应。非目标反应主要涉及识别有可能造成失控反应的不良反应或连续反应，而关于目标反应的研究可表明反应在正常操作条件下的表现。

起始物料的积聚、反应热、反应焓以及比热是创建目标反应冷却失效情境所需的关键参数。但是，更高级的研究（例如对最坏情况、危害度等级或危害度矩阵的评估）在相同程度上使用来自反应热的信息。

反应热可以根据所有相关反应物的标准生成热来计算。然而，通常是利用反应量热器（如热流量热仪）测量随着时间变化的产热量，进而确定反应热。

确定反应热需要全面了解热流平衡，包括通过反应釜壁的热流、添加反应物或溶剂过程中交换的热量，以及由于温度上升或下降而累积的热量。

热释放速率与反应热提供的是关于热量随着时间变化释放的信息，反应焓热则是通过积分反应开始至结束过程中反应热趋势实现的。由于所有单一热流条件都与整体热平衡有关，因此必须尽可能准确地确定这些热流条件。

30多年来，RC1一直是反应量热学领域的黄金标准；RC1是与一款值得信赖的仪器。RC1mx相较于之前的设备，便利性得以大大提升，有助于更加快速地开发更优质、可靠和经济高效的过程。

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  快速精准地确定等温或非等温条件下的热力学数据。
  
• 热流量热法 – 简单可靠可靠实用，可以抵抗且耐受外部影响，热流热量法可准确且精确地测量各种过程条件下的放热情况。
  
  
• 测量实际反应热测量“实际”反应热是了解化学反应进展、动力学及其潜在危险的基础。
  

热转换是与化学过程过程相关的信息，描述了随着时间变化部分反应热量与总反应热量之间的关系。热转换率的计算完全基于反应过程中释放的热量，而化学转化率则相反，是基于反应物转化为产物的化学变化。

在反应结束时热转换率始终为100%，而化学转化率可能较低，且会因选择的过程参数而发生变化。化学过程的目标其实是尽可能让反应物达到最高转化率，进而达到最高产率。

反应量热法与实时分析相结合（如原位FTIR光谱法等）是一种理想的方法，其能在研究化学反应过程、反应物转化率、产物、副产物和中间体形成的同时，测量热力学信息（例如反应热、热流、比热或热传递）。

凭借从RC1中获得的信息（如反应热、热容、产热率），在很短的时间内大规模优化和实施了已经成熟但又极具挑战性的过程。经过优化后，由于无需实施中试，因此节省了大约70,000美元。此外，由于设备较便宜、批量规模扩大，每年可节约50,000美元的生产费用。

使用RC1反应量热仪研究了吲哚合成的两个步骤：苯腙的合成以及随后的费舍尔闭环。

此次研究是重点是热释放速率、反应热和热传递以及反应温度的影响，同时在后期研究了加样速率对上述参数的影响。根据这些实验数据，可以估算出在工厂反应釜中进行反应时所需的温度、加样方法、时间和冷却性能。可改造现有过程使其基本实现可控加样，而这一事实也能提高规模生产的安全性，进而显著降低对成本昂贵的安全措施的需求。

下文摘选了一些论述反应热或反应焓的文献。

• Agosti, A., Bertolini, G., Bruno, G., Lautz, C., Glarner, T., & Deichtmann, W. (2017). Handling Hydrogen Peroxide Oxidations on a Large Scale: Synthesis of 5-Bromo-2-nitropyridine.Organic Process Research & Development, 21(3), 451–459. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00433
• Changi, S. M., & Wong, S. W. (2016). Kinetics Model for Designing Grignard Reactions in Batch or Flow Operations.Organic Process Research & Development, 20(2), 525–539. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00281
• Glotz, G., Knoechel, D. J., Podmore, P., Gruber-Woelfler, H., & Kappe, C. O. (2017). Reaction Calorimetry in Microreactor Environments—Measuring Heat of Reaction by Isothermal Heat Flux Calorimetry.Organic Process Research & Development, 21(5), 763–770. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00092
• Lakshminarasimhan, T. (2014). Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter (RC1e).Organic Process Research & Development, 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). Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions.Organic Process Research & Development, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
• Wang, J., Huang, Y., Wilhite, B. A., Papadaki, M., & Mannan, M. S. (2018). Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3-Methylpyridine N-Oxide Synthesis.Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773