קלורימטריה

בדיקות תרמוכימיות, שרותי קלורימטר ב- RC1

אחד האתגרים העיקריים של גמלון תהליכים מעבדתיים בתחום הכימיה הינו פיתוח תהליך בטיחותי והיכולת לחזות התנהגות תרמודינמית בסקלה גדולה. בדיקות קלורימטריות של התגובות הכימיות עוזרות לקבל מידע על הקינטיקה התרמוכימית ושחרור החום במהלך התגובה, על כולת הבקרה במהלך התגובה והבנת הפרמטרים הקריטיים לפיתוח תהליך בטיחותי בשלבי הגימלון ובמתקני הייצור התעשייתים. הבנה של פרמטרים אלו תורמת למניעת תגובות לא נשלטות על ידי תיכנון נכון ומניעת איבוד שליטה על התהליך קרי Run away וקבלת תוצאות הרסניות בסקלה גדולה.

בדיקה קלורימטרית מתבסס על שני נתונים עיקריים:

• אנתלפית תגובה - שינוי באנתלפיה מתרחש במעבר בין מגיבים לתוצרים בתגובה וכתוצאה מכך נפלט/נקלט חום.
• חום תגובה – מיוחס לשינוי אנתלפיה כללי אבל לוקח בחשבון את שינו האנתלפיה כפונקציה של זמן.

באופן כללי, ניתן לחלק את התגובות הכימיות לאקסותרמיות ואנדותרמיות. בתגובות אנדותרמיות החום זורם מהסביבה אל תוך המערכת, במילים אחרות, טמפרטורת התערובת עלולה לרדת. תופעה זו עלולה להיות מסוכנת כיוון שהיא יכולה להיות מלווה בשיחרור גזים בלתי מבוקרת (עליה בלחץ) או אפילו עד כדי התמצקות מבוקרת ונזק למערכת הבחישה.

בתגובות אקסותרמיות החום זורם מהמערכת אל הסביבה, במקרה זה טמפרטורת המערכת עלולה לעלות באופן בלתי נשלט, עם העלייה בטמפ' גם קצב הריאקציה גדל כך שהמערכת יכולה בקלות לצאת משליטה ו- Run away על כן המערכת צריכה להיות מחושבת ומבוקרת, כולל התייחסות לספיקות המגיבים, בדיקה כי החומרים המוזנים למערכת מגיבים ולא מצטברים בריאקטור ובכך להוות פוטנציאל לנזק רב מימדים.

המטרות העיקריות של הבדיקות הקלורמטריות הן:

• קבלת מידע על הקינטיקה התרמוכימית.
• להבין את הפרמטרים הקריטיים לבטיחות התהליך
• לקבוע פרמטרי גמלון כגון: קצב הזנת המגיבים וזאת בהתאם לקצב התגובה ושיחרור החום אשר חייב להיות מותאם ליכולת הקירור והחימום של המערכת התעשייתית
• לאתר תהליכים מסוכנים שלא ניתנים לגמלון
• למנוע מסלולים של יציאת התגובה משליטה.

אחת המשוכות הקשות בגמלון תהליך מעבדתי הינו שינוי ביחס שטח/נפח של המערכת. כידוע, כאשר נפח הריאקטורים עולה, שטח מעבר החום עולה בצורה מופחתת. לכן בריאקטורים גדולים, יכולת הקירור יורדת. עובדה זו, מצריכה מתן דגש מיוחד ותכנון נכון של התהליך על מנת לאפשר גמלון בטוח.

המעבדה הקלורימטרית בתמ"י

בתמ"י קיים ניסיון רב בבדיקות קלורימטריות וגמלון בטוח של תהלכים כימיים. במעבדה קיימים מספר ריאקטורים בנפחים שונים (0.5-2 ליטר) העשויים מחומרי מבנה שונים (זכוכית ונירוסטה) עם אפשרות לעבוד בלחצים שונים מואקום עמוק עד 60 אטמ' וטווח טמפרטורות -100C-2500C -ריאקטור הזכוכית בנפח 0.5 ליטר מצויד גם במערכת מדידות קלורימטריות בזמן אמת (RTCal). מערכת זו מאפשרת למדוד את חום התגובה במהלך התהליך ובזמן אמת.

פרמטרים תרמוכימים אשר נמדדים במהלך הבדיקה ב- RC1 הם:

• Q - חום תגובה, kJ
• Cp - קיבול חום של תערובת התגובה לפני ובסיום התגובה , , kJ/kg·K
• Uמקדם מעבר חום W/m2·K
• % ההפיכה בסיום התגובה
• ΔH - אנתלפיה של התהליך, kJ/mol reactant
• חום גיבוש/המסה/מיהול, kJ/mol
• חום סגולי של תערובת התגובה , kJ/kg
• שינוי טמפרטורה אדיאבטי – עלית טמפרטורה מקסימלית במקרה של הזנת כל המגיבים לתוך ריאקטור מבודד.

לאחר ניתוח התהליך יינתנו המלצות לגימלון בהתאם לגודל הציוד העתידי, קצבי הזנה, ודרישות הקירור של המערכות. המידע מסוכם בדוח מפורט אשר מועבר אל הלקוח. הריאקציות תוגדר כ"נשלטת היטב" או כ"תגובה מסוכנת" ולא נשלטת. במקרה האחרון, צוות של תמ"י יתן את המלצותיו על אפשרויות אחרות, על מנת לשלוט טוב יותר על שחרור החום. לדוגמא, ע"י שינוי נכון של קצב ההזנה, שינוי משטר הבחישה, הוספת ממס מתאים לספיגת החום במהלך התגובה.

במקרה של תגובות מסוכנות מאוד בעלות חום ספונטני ולא מבוקר, צוות תמ"י ילמד את התהליך וימליץ על שינויים אפשריים אשר יאפשרו גמלון בטוח של התהליך לסקלה תעשייתית.
בנוסף לתכונות התרמיות, במערכת RC1 ניתן לבצע מדידות פיסיקליות בתערובות לא ידועות.

פרמטרים אפשריים למדידה:

• טמפרטרה וחום גיבוש/התמצקות
• נקודת רתיחה
• חום המסה
• חום מיהול
• לחץ אדים