반응 칼로리계

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반응 칼로리계는 화학 반응에 의해 방출되는 에너지(배열성) 또는 흡수된(배열성)의 양을 측정하는 열량계다.이러한 측정은 그러한 반응에 대한 보다 정확한 그림을 제공한다.

적용들

실험실 규모에서 큰 규모의 반응에 대한 스케일링을 고려할 때 열이 얼마나 방출되는지 이해하는 것이 중요하다.작은 규모에서 방출되는 열은 문제를 일으키지 않을 수 있지만, 스케일업할 때 축적되는 것은 매우 위험할 수 있다.

용액에서 반응 제품을 결정짓는 것은 매우 비용 효과적인 정화 기술이다.따라서 이를 최적화할 수 있도록 결정화가 얼마나 효과적으로 이루어지고 있는지를 측정할 수 있는 것이 중요하다.그 과정에서 흡수되는 열은 유용한 척도가 될 수 있다.

열의 형태로 어떤 공정에 의해 방출되는 에너지는 반응 속도에 정비례하므로 (시간 분해 측정 기법으로서) 반응 열량측정법을 사용하여 운동학을 연구할 수 있다.

공정 개발에서 반응 칼로리 측정의 사용은 이러한 장치의 비용 영향 때문에 역사적으로 제한되어 왔지만 칼로리 측정은 화학 공정의 일부로 수행되는 반응을 완전히 이해할 수 있는 빠르고 쉬운 방법이다.

열유량 열량계

열유량 열량측정은 원자로벽을 가로지르는 열을 측정하고 이를 원자로 내의 다른 에너지 흐름과 비교하여 계량한다.

${\displaystyle Q=UA(T_{r}-T_{j}})}$

어디에

${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$ $$= 프로세스 가열(또는 냉각) 전원(W)

${\displaystyle U}$ ${\displaystyle U}$ $$= 전체 열 전달 계수(W/(mK²))

${\displaystyle A}$ ${\displaystyle A}$ $$= 열 전달 영역(m²)

${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ ${\$ $$= 공정 온도(K)

${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle j_{}}$ ${\$ $$= 재킷 온도(K)

열 흐름 열량 측정은 사용자가 프로세스 온도가 관리 상태에 있는 동안 열을 측정할 수 있게 해준다.구동력 T_r - T는_j 비교적 높은 분해능으로 측정되지만, 전체 열전달계수 U 또는 교정계수 UA는 각각 반응이 일어나기 전과 후에 교정을 통해 결정된다.보정 계수 UA(또는 전체 열 전달 계수 U)는 제품 구성, 공정 온도, 동요율, 점도 및 액체 수준에 영향을 받는다.계측기에서 최고의 결과를 얻을 수 있는 한계와 방법을 알고 있는 숙련된 직원이 있으면 정확성을 높일 수 있다.

실시간 열량측정법

실시간 열량측정은 원자로용기 벽에 위치한 열유속 센서를 기반으로 한 열량측량 기법이다.이 센서는 원자로 벽면의 열을 직접 측정하므로 온도, 반응 질량의 특성 또는 거동과는 무관하다.열 흐름과 열 전달 정보는 실험 중 보정 없이 즉시 얻는다.

열 균형 열량계

열 균형 열량 측정에서 냉각/난방 재킷은 공정의 온도를 제어한다.열은 열전달 액에 의해 얻거나 잃는 열을 모니터링하여 측정한다.

${\displaystyle Q=m_{s}C_{ps}(T_{i}-T_{o})}$

어디에

${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$ $$= 프로세스 가열(또는 냉각) 전원(W)

${\displaystyle m_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\$ $$= 열전달 유체의 질량 흐름(kg/s)

${\displaystyle C_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\$ $$= 특정 열전달 유체 열(J/(kg K))

${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\$ $$= 열전달 유체의 입구 온도(K)

${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\$ $$= 열전달 유체의 배출구 온도(K)

열 균형 열량 측정은 원칙적으로 난방/냉방 재킷을 통해 시스템에 들어오고 나가는 열이 열전달액(속성이 알려진)에서 측정되기 때문에 열을 측정하는 이상적인 방법이다.이를 통해 열 흐름과 전력 보상 칼로리 측정으로 인해 발생하는 대부분의 교정 문제를 없앨 수 있다.유감스럽게도, 공정 열 신호가 냉각/난방 재킷의 큰 열 이동에 의해 가려지기 때문에 이 방법은 전통적인 배치 선박에서는 잘 작동하지 않는다.

전력 보상 열량계

'열 흐름' 기법의 변화를 '전력 보상' 열량 측정이라고 한다.일정한 흐름과 온도에서 작동하는 쿨링재킷을 사용하는 방식이다.프로세스 온도는 전기 히터의 전원을 조절하여 조절한다.실험이 시작되면 (냉각재킷의) 전기 열과 냉각력이 균형을 이룬다.공정 열 부하가 변화함에 따라 원하는 공정 온도를 유지하기 위해 전력이 변화한다.이 과정에서 방출되거나 흡수되는 열은 측정 당시 초기 전력과 전력 수요의 차이에서 결정된다.열유량 열량 측정보다 전력 보상 방법을 설정하는 것이 쉽지만 제품 구성, 액체 수준, 공정 온도, 동요율 또는 점도의 변화가 교정을 뒤엎을 수 있기 때문에 이와 유사한 제한에 시달린다.전기 가열 소자의 존재는 프로세스 운영에도 바람직하지 않다.이 방법은 측정할 수 있는 가장 큰 열이 히터에 가해지는 초기 전력과 같다는 사실에 의해 더욱 제한된다.

$(\displaystyle Q=)IV\,\,\,\,\,\mathrm {or} \,\,\,\,\, (I-I_{0})V}$

${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I}$ $$= 히터에 공급되는 전류

${\displaystyle V}$ ${\displaystyle V}$ $$= 히터에 공급되는 전압

${\displaystyle I_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$ $$= 평형 상태에서 히터에 공급되는 전류(정전압/저항 추정)

등속 열량계

그러나 칼로리 측정의 최근 발전은 일정한 플럭스 냉각/난방 재킷의 발전이다.이들은 가변 형상 냉각 재킷을 사용하며 상당히 일정한 온도에서 냉각 재킷으로 작동할 수 있다.이러한 반응 칼로리계는 사용이 훨씬 간편하고 공정 조건의 변화에 훨씬 더 내성이 있다(열 흐름 또는 전력 보상 칼로리미터의 교정에 영향을 미칠 수 있음).

반응 열량 측정의 핵심 부분은 극한의 열적 사건 앞에서 온도를 조절하는 능력이다.일단 온도를 제어할 수 있게 되면, 다양한 파라미터를 측정하면 반응에 의해 흡수된 열이 얼마나 방출되는지를 이해할 수 있다.

본질적으로, 연속 플럭스 칼로리메트릭스는 고도로 발달된 온도 제어 메커니즘으로, 고도로 정확한 칼로리메트릭스를 생성하는데 사용될 수 있다.열유체의 유입 온도를 일정하게 유지하면서 제어된 실험용 원자로의 재킷 면적을 제어하는 방식으로 작동한다.이는 열이 교환되는 면적을 단순히 증가시킴으로써 추가 냉각을 항상 이용할 수 있기 때문에 강한 발열이나 내열 이벤트에서도 온도를 정밀하게 제어할 수 있게 한다.

이 시스템은 일반적으로 열 밸런스 칼로리(기본값)보다 정확하며, 델타 온도(T_out - T_in)의 변화는 가능한 낮은 유체 흐름을 유지함으로써 확대되기 때문이다.

일정 유속 열량 측정의 주요 장점 중 하나는 열 전달 계수(U)를 동적으로 측정할 수 있다는 점이다.열 균형 방정식을 통해 우리는 다음과 같이 알고 있다.

Q = m_f.Cp_f.T_in - T_out

우리는 또한 열유동 방정식을 통해

Q = U.A.LMTD

그러므로 우리는 이것을 그렇게 재배열할 수 있다.

U = m_f.Cp_f.T_in - T_out /A.LMTD

따라서 우리는 시간의 함수로서 U를 감시할 수 있을 것이다.

연속 반응 칼로리계

연속 반응 칼로리계는 관형 원자로에서 연속 공정의 스케일 업을 위한 열역학 정보를 얻는데 특히 적합하다.이는 방출된 열이 특히 비선택적 반응의 경우 반응 제어에 크게 의존할 수 있기 때문에 유용하다.연속 반응 칼로리계를 사용하면 관 원자로를 따라 축온도를 기록할 수 있으며, 열 균형과 세그먼트 동적 매개변수를 사용하여 특정 반응 열을 결정할 수 있다.시스템은 관형 원자로, 투약 시스템, 예열기, 온도 센서 및 유량계로 구성되어야 한다.

기존의 열유량 칼로리미터에서는 반응의 완전한 변환을 얻기 위해 반배치 공정과 유사한 소량으로 반응제 1개를 연속적으로 첨가한다.관형 원자로와는 대조적으로, 이것은 거주 시간이 길어지고, 다른 물질 농도와 평탄한 온도 프로파일로 이어진다.따라서 잘 정의되지 않은 반응의 선택성에 영향을 미칠 수 있다.이는 다른 결합이 형성되기 때문에 측정된 반응 열을 변화시키는 부산물 또는 연속적인 생산물이 형성될 수 있다.부산물이나 2차 제품의 양은 원하는 제품의 수율을 계산하면 알 수 있다.

만일 HFC(열량 열량계)와 PFR 열량계에서 측정된 반응의 열이 다르다면, 대부분은 아마도 일부 측면 반응이 일어났을 것이다.예를 들어, 그것들은 다른 기온과 거주 시간에 의해 야기될 수 있다.전체 측정된 Qr은 변환 정도(U)에 따라 주 반응과 측면 반응의 ΔHr)가 부분적으로 중첩된 반응으로 구성된다.

참고 항목

• 제어 실험실 원자로

참조

• 흐름 화학 저널 오브 플로우 화학의 직접 스케일 업을 위한 연속 밀리 스케일 반응 칼로리미터 https://doi.org/10.1007/s41981-021-00204-y
• 연속 흐름 모드에서 반응 열량측정.높은 에너지와 빠른 반응의 열적 특성화를 위한 새로운 접근법 https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00117

외부 링크

• 플루이텍 콘티플렉스 연속 원자로