Reaktionskalorimetrar

Processäkerhet Design och uppskalning

En reaktionskalorimeter är ett verktyg som används av forskare inom kemisk och farmaceutisk utveckling för att mäta mängden energi som frigörs eller absorberas av en kemisk eller fysisk reaktion.

Den består vanligtvis av en omrörd tankreaktor av varierande storlek där temperaturen på reaktionsmassan övervakas och kontrolleras exakt, tillsammans med alla relevanta kritiska processparametrar.

Reaktionskalorimetrar gör det möjligt att undersöka kemiska processer under processliknande förhållanden, vilket ger en komplett uppsättning information om processens skalbarhet och säkerhet.

Beroende på utvecklingsstadiet kan ytterligare information också vara relevant. Således kan kompletterande data (t.ex. analytiska data från infraröd, Raman, HPLC eller liknande) samlas in och integreras med värmeflödesdata.

Kontakta oss idag för att lära dig mer om instrument för reaktionskalorimetri.

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

RC1mx™ reaktionskalorimeter är branschens "Gold-Standard" för mätning av värmeprofiler, kemisk omvandling och värmeöverföring under processliknande förhållanden. RC1mx erbjuder en modern lösning med en högpresterande termostat som mittpunkt. RC1mx gör det möjligt för kemi- och säkerhetsingenjörer att optimera processer under säkra förhållanden samtidigt som alla kritiska processparametrar fastställs och risken för fel i stor skala minskar.

OptiMax HFCal, EasyMax 402 HFCal och EasyMax 102 HFCal är värmeflödeskalorimetrar i mindre skala som kombinerar fördelarna med en syntesarbetsstation och en reaktionskalorimeter. Dessa kalorimetriinstrument är utformade för screening och uppskalning av processäkerhet och ger relevant reaktionsinformation tidigt i utvecklingsprocessen.

Kalorimetridata för reaktion i realtid

Utveckling och optimering av kemiska processer kräver bestämning av en mängd olika typer av information för att kunna fatta de bästa besluten. Det är vanligt att samla in analytiska data, såsom infraröd (IR),Raman, partikelstorleksfördelning eller koncentration online och i realtid för att skapa kinetiska modeller och få mekanistisk förståelse. Att samla in värmeavgivningsdata i realtid är absolut nödvändigt för att utforma säkra och hållbara kemiska processer.

Reaktorsystem som gör det möjligt att skanna reaktioner för värmeavgivning i realtid ger omedelbar återkoppling om reaktionens förlopp och gör det möjligt för användare att omedelbart vidta korrigerande åtgärder. Värmedata online i realtid används ofta för att styra processen genom att justera kritiska processparametrar, såsom tillsatshastigheten för reaktanter, styrning av trycket, omrörningshastigheten eller någon annan processparameter.

Med RTCal-reaktorn™ använder forskaren ett PAT-verktyg (process analytical technology) som gör det möjligt att spåra reaktioner i realtid. Den ger värdefull värmeinformation om reaktionens förlopp utan behov av expertkunskap. RTCal-tekniken™ använder värmeflödessensorer som är inbyggda i reaktorn och detekterar värmeflödet över reaktorns vägg.

Mätningen av värmedata med RTCal™ är oberoende av reaktionsmassans egenskaper eller beteende. Därför behöver inga kalibreringsprocedurer köras före, under eller efter reaktionen, vilket minskar experimenttiden avsevärt.

Visa mer

Säkra processer i alla skalor

METTLER TOLEDOs reaktionskalorimetrar möjliggör säkerhetsscreening från laboratorie- till anläggningsskala för att säkerställa en säker och robust uppskalning. När en process skalas upp måste kritiska variabler som påverkar prestanda eller resultat undersökas. I vissa fall är den valda rutten inte skalbar på grund av dyra eller knappa utgångsmaterial, förhållanden som är svåra att kontrollera i stora fartyg eller potentiella säkerhetsrisker och måste därför modifieras.

Detta kräver undersökning av skalberoende variabler, såsom doseringshastigheter, blandning eller massöverföring. En av de viktigaste uppgifterna för att flytta en process till tillverkning på ett säkert sätt är dock förståelsen för den totala värme som frigörs, värmeavgivningshastigheten, ackumuleringen av reaktanter eller energi samt stabiliteten hos reaktionsmassan och de enskilda komponenterna.

Reaktionskalorimetristudier ger bevis för de kritiska processparametrarna och deras inverkan på processen, tillverkningsbarheten, utbytet och kvaliteten på produkten eller intermediären.

Eftersom kemiska reaktioner påverkas av flera parametrar såsom koncentration, additionshastighet, temperatur, lösningsmedel, katalysator och pH-värde, ökar den sömlösa integrationen av onlineanalys eller automatiserade provtagningsverktyg i reaktionskalorimetern studiens värde enormt.

Datarika experiment som omfattar både kalorimetri och analytisk information stöder effektivt dagens behov av att snabbt utveckla säkra och robusta processer och överföra dem från laboratorium till anläggning på ett effektivt sätt.

Visa mer

Kemi vid subomgivningstemperatur

LowTemp (LT) reaktormodeller utökar temperaturdesignutrymmet ner till -90 °C för upptäckt av nya syntetiska vägar, processoptimering och design av reaktioner inklusive organometallisk metallering och litiationsreaktioner vid subomgivande förhållanden.

Till skillnad från traditionell utrustning med diskreta temperaturer vid 0 °C, -21 °C (natriumklorid i is) och -78 °C (aceton/torris), kontrollerar våra LowTemp-reaktorer exakt experimentella förhållanden längs ett brett temperaturområde – även när de är obevakade.

Kombinera EasyMax LT med HFCal-uppgraderingskitet för att täcka kemikalier vid de mest extrema temperaturerna.

Kalorimetri vid processäkerhetsscreening

För att få ut nya kemiska eller farmaceutiska enheter på marknaden på ett framgångsrikt sätt krävs innovativa idéer, kreativa forskare och moderna verktyg som stöder ett effektivt utvecklingsflöde. Reaktionskalorimetrar möjliggör:

Försök ska utföras i liten skala på grund av materialbrist
Exakt datainsamling
Tillämpning av data för statistiska metoder (t.ex. studier av försöksplanering)
Förtroende för att identifiera skalbarhets- och säkerhetsproblem i ett tidigt utvecklingsskede

Omfattande processäkerhetsstudier

Reaktionskalorimetrar ger tillförlitliga data för att beräkna relevanta säkerhetsparametrar och för att förstå potentiella risker. För att förbättra säkerhetsaspekterna paras reaktionskalorimetrar ofta ihop med programvara för att:

Konvertera automatiskt reaktionskalorimetridata till säkerhetsinformation
Analysera den termiska risken (t.ex. termisk ackumulering, ΔTadiabatic, MTSR)
Generera och dela rapporter automatiskt

Accelerera processutvecklingen med Dynochem

Dynochems programvara för modellering av kemiska reaktioner säkerställer effektiv blandning och värmeöverföring vid uppskalning av reaktioner. Jämför enkelt och snabbt reaktorer i labb-, pilot- och produktionsskala och hitta lämpliga blandningsparametrar för att på ett säkert sätt påskynda processöverföringen från reaktor till reaktor. Med data från reaktionskalorimetri och Dynochem-modellering kan du snabbt säkerställa kemisk processäkerhet och processprestanda i alla skalor.

Vanliga frågor om reaktionskalorimetri

Vad är reaktionskalorimetri?

Reaktionskalorimetri mäter värmen som frigörs från en kemisk reaktion eller fysikalisk process och ger grunderna för termokemin och kinetiken för en reaktion.

Den erhållna informationen är viktig för att beskriva värmeavgivningen av en kemisk reaktion över tid och för att säkert överföra den från laboratorium till anläggning.

Reaktionskalorimetri avslöjar oväntat beteende och gör eventuella skalbarhetsproblem synliga och kvantifierbara. Det hjälper också till att identifiera problem relaterade till överföring eller blandning av värme och massa och gör det möjligt att bestämma rätt temperatur, omrörning eller doseringsprofil för en given reaktion eller process. Den erhållna informationen används sedan för att utvärdera en processs risk, skalbarhet och kritikalitet.

Reaktionskalorimetridata används för att karakterisera, optimera och förstå processparametrar i en kontrollerad, exakt och reproducerbar miljö, vilket möjliggör säker uppskalning och överföring till tillverkning.

Vad är värmeflödeskalorimetri?

Värmeflödeskalorimetri är den enklaste och mest robusta metoden för att bestämma värmen som frigörs av en kemisk reaktion eller fysikalisk process. Den stöds av alla METTLER TOLEDO:s arbetsstationer för reaktionskalorimetri. Värmeflödeskalorimetri är mycket känslig och användbar under de flesta förhållanden, och den erbjuder utmärkt repeterbarhet.

Principen för värmeflödeskalorimetri bygger på att mäta temperaturskillnaden över reaktorväggen, som sedan omvandlas till ett värmeflöde genom att mäta dess värmeöverföringskoefficient.

Värmeöverföringskoefficienten beror på typen av kemi, reaktionsförhållanden och reaktormaterialet och bestäms med hjälp av en elektrisk referensvärmare.

För att få verkliga och korrekta data förses varje arbetsstation och reaktor med en modell för termisk analys (Ta) som korrigerar värmeflödet genom reaktorväggarna, med hänsyn till värmeledningsförmågan och tjockleken på reaktorväggen, det termiska motståndet hos reaktionsmassfilmen och det termiska motståndet hos oljefilmen.

Metoden med värmeflödeskalorimetri är tillämpbar i både liten och stor skala och ligger till grund för alla kemiska processutvecklingsprojekt , processuppskalning och kemiska processäkerhetsutredningar.

Vad är värdet av reaktionskalorimetri?

Reaktionskalorimetrar möjliggör effektiv och säker utveckling av processer i stor skala.

När en reaktion skalas från labb till anläggning kan skalbarhetsproblem plötsligt uppstå av olika anledningar. I värsta fall kan oidentifierade reaktionsrisker leda till en skenande reaktion följt av en explosion. Orsakerna till termiska incidenter tillskrivs ofta:

Brist på förståelse för kemin eller termokemin i en process
Oförmåga att avlägsna värme
Dåligt eller dåligt förstått blandningsbeteende
Mänskliga faktorer

Incidenter kan undvikas genom att fastställa relevanta data i labbskala. Laboratoriearbetet utförs under processliknande förhållanden med hjälp av reaktionskalorimetrar så att resultaten direkt kan tillämpas på operationer i större skala.

Reaktionskalorimetri ger en hög nivå av processförståelse så att de nödvändiga procedurerna kan utföras rutinmässigt, robust och enligt de kvalitetsstandarder som krävs.

Hur kan du få korrekta och exakta kalorimetriska data under alla förhållanden?

Noggranna och exakta värmeflödesdata är avgörande för övergången från labb till anläggning. Ett högpresterande värme- och kylsystem i kombination med ett känsligt temperaturmätnings- och styrsystem är en förutsättning för att få korrekt och exakt värmeinformation om en kemisk process. Detta inkluderar detaljer om reaktionsvärmen, den totala värmeflödesbalansen, massan och värmeöverföringen samt den specifika värmen för reaktionsmassan.

Den totala värmeflödesbalansen för en kemisk process i sig inkluderar en mängd olika termiska effekter, såsom ackumulering av värme, värmeväxling på grund av tillsatser av reaktant eller lösningsmedel, värme på grund av förändrad viskositet, värmeförlust etc.

För reaktioner som körs under växlande temperaturförhållanden blir värmeackumulering en viktig faktor vid beräkningen av reaktionsvärmen (värme som frigörs som en funktion av tiden). I detta fall är korrigeringen från isotermisk till icke-isotermisk temperaturkontroll avgörande och den termiska analysmodellen (Ta) spelar en extremt viktig roll.

METTLER TOLEDO:s reaktionskalorimetrar och programvarusviten iControl använder sofistikerade beräkningsalgoritmer. Dessa tar hänsyn till det dynamiska beteendet hos reaktorväggen, kärlets värmekapacitet och reaktorinsatserna – vilket ger kalorimetriska data med maximal noggrannhet och precision.

Vad är reaktionsvärme?

Reaktionsvärmen, eller reaktionsentalpi, är den energi som frigörs eller absorberas under en kemisk reaktion. När reaktanter omvandlas till produkter beskriver den hur energiinnehållet förändras. Även om det finns endoterma (värmeabsorberande) och exoterma (värmefrigörande) reaktioner, är majoriteten av reaktionerna som utförs inom den kemiska och farmaceutiska sektorn exoterma. Reaktionsvärmen är en av de termodynamiska egenskaperna som bland annat används inom kemisk forskning, uppskalning och säkerhet för att skala processer från labbskala till produktion.

Lär dig mer om reaktionsvärme och reaktionsentalpi.

Kan jag ansluta min reaktionskalorimeter till tillbehör från tredje part?

Tillbehöret Easy Control Box (ECB) (köps separat) utökar din reaktionskalorimeter, automatiserade kontroll och datainsamling av enheter från tredje part, inklusive sensorer, doserings- och provtagningslösningar.

ECB tillhandahåller funktioner för doseringskontroll och ansluter enkelt kommersiellt tillgängliga pumpar och vågar för automatiserad förprogrammerad gravimetrisk eller volumetrisk dosering. Tillbehöret har plug-and-play-mätfunktion med SmartConnect-tekniksensorer. Kontrollelementen känns igen automatiskt, vilket gör konfigurationen av reaktorsystemet till en enkel uppgift.

Läs mer om Easy Control Box (ECB).

Resurser för reaktionskalorimetri

Gelinski, E. K., Sheibat–Othman, N., & McKenna, T. F. L. (2023). Masstransport vid emulsionspolymerisation: En experimentell och modellerande studie. 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). Val av kärnbildningskinetik baserat lösningsmedel för kristallisering av flytande antilösningsmedel av en lipofil intermediär. 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). Processbelysning och riskanalys av Metal–Organic Framework Scale-Up Synthesis: En fallstudie av ZIF-8. Industriell och teknisk kemiforskning, 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). Utvärdering av potentiella säkerhetsrisker förknippade med Suzuki–Miyaura korskoppling av arylbromider med vinylborarter. Organisk processforskning och utveckling, 22(3), 351–359. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00001
Monteiro, A. M., & Flanagan, R. C. (2017). Processäkerhetsöverväganden vid användning av 1 m borantetrahydrofurankomplex under allmänna anläggningsförhållanden. Organisk processforskning och utveckling, 21(2), 241–246. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00407 (på engelska)
Hua, M., Qi, M., Pan, X., Yu, W., Zhang, L., & Jiang, J. (2017). Säkrare design för syntes av 3-metylpyridin-N-oxid. Framsteg för processäkerhet, 37(3), 355–361. https://doi.org/10.1002/prs.11952
Jyotsna, G. K., Srikanth, S., Ratnaparkhi, V., Rakeshwar, B. (2017). Reaktionskalorimetri som ett verktyg för termisk riskbedömning och förbättring av säkra skalbara kemiska processer. Inorg Chem Ind J.,12(1),110.
Pečar, D., & Goršek, A. (2015). Förtvålningsreaktionssystem: en detaljerad bestämning av massöverföringskoefficienten. Acta Chimica Slovenica, 62(1). https://doi.org/10.17344/acsi.2014.1110
Wang, J., Huang, Y., Wilhite, B. A., Papadaki, M., & Mannan, MS (2018). Mot identifiering av intensifierade reaktionsförhållanden med hjälp av responsytmetodik: En fallstudie om syntes av 3-metylpyridin N-oxid. Forskning inom industriell och teknisk kemi, 58 (15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
Lakshminarasimhan, T. (2014). Förutsäga 24 och 8 timmars adiabatisk nedbrytningstemperatur för lågtemperaturreaktioner genom kinetisk anpassning av icke-isoterma värmedata från reaktionskalorimeter (RC1e). Organisk processforskning och utveckling, 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). Utveckling av en modelleringsbaserad strategi för säker och effektiv uppskalning av högenergetiska hydrogenationsreaktioner. Organisk processforskning och utveckling, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r

Sökförslag