화학 반응의 반응열 및 반응 엔탈피 측정

오랜 기간 동안 안전 고려사항은 화학 공정 개발의 필수 구성요소가 되었으며, 시범 또는 대규모 공정을 설계하면서 안전성 개념이 일상적으로 확립되었습니다. CSB, OSHA(미국), HSE(영국), EU-OSHA, EPSC(유럽연합) 또는 IPE 및 중국 국가안전생산감독관리총국(SAWS)과 같은 산업협회 및 연방 당국에서는 화학 및 제약산업이 안전한 생산을 보장하는 규정을 준수할 것을 요구합니다. 이들 기관이 제공한 지침은 화학산업 및 제약산업에서 발생하는 사건 및 사고를 방지하는 것을 주요 골자로 합니다.

위험 평가를 위해서는 물질의 특성을 설명하는 주요 화학 데이터 뿐만 아니라 공정 자체에 대한 정보도 필요합니다. 다른 열 정보 중에서도 반응열은 안전한 공정과 관련된 정보를 도출하고 공정 안전 지식을 구축하는 데 사용될 수 있는 필수 파라미터입니다. 공정 안전 지식을 구축한다는 것은 원하는 반응과 더불어 잠재적으로 원하지 않는 반응을 모두 이해하는 것을 의미합니다. 원하지 않는 반응은 주로 폭주 반응으로 이어질 수 있는 가능한 부작용 또는 연속 반응을 식별하는 것과 관련이 있는 반면, 원하는 반응의 조사는 반응이 정상 작동 조건에서 어떻게 거동하는지 보여줍니다.

시작 물질의 축적, 반응열, 반응 엔탈피 및 비열은 원하는 반응의 냉각 실패 시나리오를 생성하는 데에 필요한 주요 파라미터의 일부입니다. 그러나 최악의 시나리오 평가, 임계 등급 또는 치명도 매트릭스와 같은 첨단 연구는 반응열로부터의 정보를 동일한 수준으로 사용합니다.

반응열은 관련된 모든 반응물의 표준 생성 열을 기반으로 계산할 수 있습니다. 그러나, 일반적으로 열 흐름 열량계와 같은 반응 열량계를 사용하여 시간에 따른 열 생산량을 측정하여 판단합니다.

반응열의 판단에는 반응기 벽을 통한 열 흐름, 반응물 또는 용매의 분주 도중에 교환되는 열량 및 온도의 상승이나 하강으로 인해 축적되는 열을 포함하여 전체 열 흐름 균형에 대한 지식이 필요합니다.

열 방출율 및 반응열이 시간의 함수로 어떻게 방출되는지에 대한 정보를 제공하지만, 반응열은 반응의 시작과 끝 사이의 반응열의 추세를 통합함으로써 얻어집니다. 모든 개별적인 열 흐름 용어가 전체적인 열 균형과 관련이 있으므로, 최대한 정확하게 고려해서 판단해야 합니다.

30년이 넘는 시간 동안 RC1은 반응 열량 측정 분야에서 부동의 표준이었으며, RC1은 누구나 신뢰하는 기기입니다. RC1mx는 보다 최적화되고 내구성이 뛰어나며 경제적으로 실행 가능한 공정을 보다 빠르게 개발할 수 있도록 이전 모델에 편의성을 추가하여 제작되었습니다.

• 공정의 이해
  열역학 데이터를 등온 또는 비등온 조건에서 빠르고 정밀하게 판별합니다.
  
• 열 흐름 열량 측정 – 확실한 신뢰성
  외부 영향에 대해 내성이 있고 내구성이 뛰어난 열 흐름 열량 측정을 사용하면 공정 조건에서 열 방출을 정확하고 정밀하게 측정할 수 있습니다.
  
• 실제 반응열 측정
  실제 반응열을 측정하는 것은 화학 반응의 진행과 역학 및 잠재적 위험성을 이해하기 위한 기초입니다.

열 변환(Thermal Conversion)은 화학 공정 개발에 대한 관련 정보이며 시간의 함수로서 부분 반응열과 총 반응열의 관계를 설명합니다. 열 변환의 계산은 반응물에서 생성물로의 화학적 전환을 기반으로 하는 화학적 전환과는 달리 반응 중 방출되는 열에 전적으로 기반합니다.

반응 말기의 열 변환율은 항상 100 %지만 화학적 전환율은 낮을 수 있으며 공정 파라미터의 선택에 따라 달라질 수 있습니다. 화학 물질 개발의 사실상의 목표는 반응물의 가능한 가장 높은 전환율을 달성하여 최대의 수율을 얻는 것입니다.

현장(In-situ) FTIR 분광광도계와 같은 실시간 분석과 결합된 반응 열량 측정은 화학 반응의 진행, 반응물의 전환, 생성물 형성, 부산물 형성, 중간 생성물 등을 연구하는 이상적인 방법이면서 동시에 반응열, 열 흐름, 비열 또는 열 전달과 같은 열역학적 정보도 측정합니다.

RC1에서 얻은 정보(예: 반응열, 열 용량, 열 생산율) 덕분에, 기존의 까다로운 공정을 짧은 시간 내에 대규모로 최적화하고 구현했습니다. 시범 단계가 필요 없었기에 최적화로 약 7만 달러를 절감할 수 있었습니다. 또한 비교적 저렴한 장비와 대용량의 배치 규모로 인해 생산 비용을 연간 5만 달러나 절감할 수 있었습니다.

인돌 합성, 페닐히드라존 합성 후 피셔 고리 폐쇄의 두 단계를 RC1 반응 열량계에서 조사했습니다.

조사의 주요 초점은 열 방출률, 반응열 및 열 전달 뿐만 아니라 반응 온도의 영향이었으며, 후반 단계에서는 위의 정보에 기반한 투입률이었습니다. 실험 데이터에 기초하여, 온도 및 분주 방식뿐만 아니라 공장 반응기에서의 작동에 필요한 시간과 냉각 성능도 예측할 수 있었습니다. 기존 공정을 수정하여 실질적으로 투입량을 제어할 수 있다는 사실은 제조 규모에서의 안전성을 향상시켜 값비싼 안전 조치의 필요성을 크게 감소시켰습니다.

아래는 반응열 또는 반응 엔탈피 관련 논의가 있는 출판물 목록입니다.

• 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