प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर

प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर विशेष प्रकार कैलोरीमीटर है जो रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा जारी ( एक्ज़ोथिर्मिक ) या अवशोषित ( एन्दोठेर्मिक ) ऊर्जा की मात्रा को मापता है। यह माप ऐसी प्रतिक्रियाओं की अधिक त्रुटिहीन तस्वीर प्रदान करते हैं।

अनुप्रयोग
प्रयोगशाला पैमाने से बड़े पैमाने पर प्रतिक्रिया को बढ़ाने पर विचार करते समय यह समझना महत्वपूर्ण है कि कितनी ऊष्मा जारी होती है। इस प्रकार छोटे पैमाने पर जारी की गई ऊष्मा चिंता का कारण नहीं हो सकती है चूंकि जब स्केलिंग होती है, तब बिल्ड-अप अधिक खतरनाक हो सकता है।

समाधान से प्रतिक्रिया उत्पाद को क्रिस्टलीकृत करना अत्यधिक लागत प्रभावी शुद्धिकरण विधि है। इसलिए यह मापने में सक्षम होना मूल्यवान है कि इसे अनुकूलित करने में सक्षम होने के लिए क्रिस्टलाइजेशन कितना प्रभावी रूप से हो रहा है। अतः प्रक्रिया द्वारा अवशोषित ऊष्मा उपयोगी उपाय हो सकती है।

ऊष्मा के रूप में किसी भी प्रक्रिया द्वारा जारी की जा रही ऊर्जा सीधे प्रतिक्रिया की दर के समानुपाती होती है और इसलिए कैनेटीक्स का अध्ययन करने के लिए प्रतिक्रिया उष्मामिति (समय हल माप विधि के रूप में) का उपयोग किया जा सकता है।

प्रक्रिया के विकास में प्रतिक्रिया कैलोरीमेट्री का उपयोग ऐतिहासिक रूप से इन उपकरणों की लागत के प्रभाव के कारण सीमित रहा है, चूंकि रासायनिक प्रक्रिया के भाग के रूप में आयोजित होने वाली प्रतिक्रियाओं को पूर्ण प्रकार से समझने के लिए कैलोरीमेट्री तेज़ और सरल विधि है।

ऊष्मा प्रवाह कैलोरीमेट्री
ऊष्मा प्रवाह कैलोरीमिति रिएक्टर की दीवार के पार बहने वाली ऊष्मा को मापती है और रिएक्टर के अंदर अन्य ऊर्जा प्रवाह के संबंध में इसकी मात्रा निर्धारित करती है।


 * $$ Q = U A (T_r-T_j)$$

जहाँ


 * $$Q$$ = प्रक्रिया हीटिंग (या कूलिंग) पावर (W)
 * $$U$$ = समग्र ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक (W/(m2K))
 * $$A$$ = ऊष्मा हस्तांतरण क्षेत्र (m2)
 * $$T_r$$ = प्रक्रिया तापमान (K)
 * $$T_j$$	= जैकेट क तापमान (K)

सामान्यतः ऊष्मा प्रवाह कैलोरीमेट्री उपयोगकर्ता को ऊष्मा को मापने की अनुमति देता है जबकि प्रक्रिया का तापमान नियंत्रण में रहता है। इस प्रकार प्रेरक बल $T_{r} − T_{j}$ अपेक्षाकृत उच्च विभेदन के साथ मापा जाता है समग्र ताप हस्तांतरण गुणांक के साथ मापा जाता है $U$ या अंशांकन कारक $UA$ क्रमशः प्रतिक्रिया होने से पहले और बाद में अंशांकन के माध्यम से निर्धारित किया जाता है। अंशांकन कारक $UA$ (या समग्र ताप अंतरण गुणांक $U$) उत्पाद संरचना, प्रक्रिया तापमान, आंदोलन दर, चिपचिपाहट और तरल स्तर से प्रभावित होते हैं। अनुभवी कर्मचारियों के साथ अच्छी त्रुटिहीनता प्राप्त की जा सकती है जो सीमाओं को जानते हैं और उपकरण से सर्वोत्तम परिणाम कैसे प्राप्त करते हैं।

रीयल-टाइम कैलोरीमेट्री
वास्तविक समय में कैलोरीमेट्री ऊष्मा प्रवाह सेंसर पर आधारित कैलोरीमेट्री विधि है जो रिएक्टर जहाजों की दीवार पर स्थित होती है। सेंसर सीधे रिएक्टर की दीवार पर ऊष्मा को मापते हैं और इस प्रकार, माप तापमान, गुणों या प्रतिक्रिया द्रव्यमान के व्यवहार से स्वतंत्र होता है। प्रयोग के समय बिना किसी अंशांकन के तुरंत ऊष्मा प्रवाह के साथ-साथ ऊष्मा अंतरण की जानकारी प्राप्त की जाती है।

ऊष्मा संतुलन कैलोरीमिति
ऊष्मा संतुलन कैलोरीमेट्री में, ठंडा/हीटिंग जैकेट प्रक्रिया के तापमान को नियंत्रित करता है। ऊष्मा हस्तांतरण द्रव द्वारा प्राप्त या खोई हुई ऊष्मा की निगरानी के द्वारा ऊष्मा को मापा जाता है।


 * $$Q = m_s C_{ps}(T_i - T_o)$$

कहाँ


 * $$Q$$ = प्रोसेस हीटिंग (या कूलिंग) पावर (W)


 * $$m_s$$ = ऊष्मा अंतरण द्रव का द्रव्यमान प्रवाह (किग्रा/सेकण्ड)


 * $$C_{ps}$$ = ऊष्मा अंतरण द्रव की विशिष्ट ऊष्मा (J/(kg K))


 * $$T_i$$ = ऊष्मा हस्तांतरण तरल पदार्थ (के) का इनलेट तापमान
 * $$T_o$$ = ऊष्मा हस्तांतरण तरल पदार्थ का आउटलेट तापमान (के)

ऊष्मा संतुलन कैलोरीमिति, सिद्धांत रूप में, ऊष्मा को मापने की आदर्श विधि है क्योंकि ताप/शीतलन जैकेट के माध्यम से प्रणाली में प्रवेश करने और छोड़ने वाली ऊष्मा को ऊष्मा अंतरण द्रव (जिसके ज्ञात गुण होते हैं) से मापा जाता है। यह ऊष्मा प्रवाह और विद्युत क्षतिपूर्ति कैलोरीमेट्री द्वारा सामना की जाने वाली अधिकांश अंशांकन समस्याओं को समाप्त करता है। दुर्भाग्य से, पारंपरिक बैच के जहाजों में विधि अच्छी प्रकार से कार्य नहीं करती है क्योंकि कूलिंग / हीटिंग जैकेट में बड़े हीट शिफ्ट द्वारा प्रक्रिया हीट सिग्नल अस्पष्ट है।

विद्युत मुआवजा कैलोरीमेट्री
'ऊष्मा प्रवाह' विधि की भिन्नता को 'शक्ति क्षतिपूर्ति' कैलोरीमेट्री कहा जाता है। यह विधि निरंतर प्रवाह और तापमान पर चलने वाली कूलिंग जैकेट का उपयोग करती है। विद्युत हीटर की शक्ति को समायोजित करके प्रक्रिया तापमान को नियंत्रित किया जाता है। जब प्रयोग प्रारंभ किया जाता है, तो विद्युत ताप और शीतलन शक्ति (शीतलन जैकेट की) संतुलन में होती है। जैसे ही प्रक्रिया का ताप भार बदलता है, वांछित प्रक्रिया तापमान को बनाए रखने के लिए विद्युत शक्ति भिन्न होती है। प्रक्रिया द्वारा मुक्त या अवशोषित ऊष्मा माप के समय प्रारंभिक विद्युत शक्ति और विद्युत शक्ति की मांग के मध्य के अंतर से निर्धारित होती है। ताप प्रवाह कैलोरीमेट्री की तुलना में विद्युत मुआवजा विधि स्थापित करना सरल है, किन्तु यह समान सीमाओं से ग्रस्त है क्योंकि उत्पाद संरचना, तरल स्तर, प्रक्रिया तापमान, आंदोलन दर या चिपचिपाहट में कोई भी परिवर्तन अंशांकन को परेशान करेगा। प्रक्रिया संचालन के लिए विद्युत ताप तत्व की उपस्थिति भी अवांछनीय है। विधि इस तथ्य से और सीमित है कि यह मापी जाने वाली सबसे बड़ी ऊष्मा हीटर पर लागू प्रारंभिक विद्युत शक्ति के बराबर होती है।


 * $$Q = IV\,\,\,\,\,\mathrm {or}\,\,\,\,\,\,(I - I_0)V$$
 * $$I$$ = हीटर को आपूर्ति की जाने वाली धारा
 * $$V$$ = हीटर को आपूर्ति की गई वोल्टेज
 * $$I_0$$ = संतुलन पर हीटर को आपूर्ति की जाने वाली धारा (निरंतर वोल्टेज/प्रतिरोध मानते हुए)

निरंतर प्रवाह कैलोरीमेट्री
कैलोरीमेट्री में हालिया विकास, चूंकि, निरंतर फ्लक्स कूलिंग/हीटिंग जैकेट का है। ये अस्थिर ज्योमेट्री कूलिंग जैकेट्स का उपयोग करते हैं और अधिक स्थिर तापमान पर कूलिंग जैकेट्स के साथ कार्य कर सकते हैं। ये प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर उपयोग करने के लिए बहुत सरल होते हैं और प्रक्रिया स्थितियों में परिवर्तन के प्रति अधिक सहिष्णु होते हैं (जो ऊष्मा प्रवाह या विद्युत क्षतिपूर्ति कैलोरीमीटर में अंशांकन को प्रभावित करेगा)।

प्रतिक्रिया कैलोरीमेट्री का महत्वपूर्ण भाग अत्यधिक तापीय घटनाओं के सामने तापमान को नियंत्रित करने की क्षमता है। बार जब तापमान को नियंत्रित करने में सक्षम हो जाता है, तो विभिन्न प्रकार के मापदंडों का मापन यह समझने की अनुमति दे सकता है कि प्रतिक्रिया द्वारा कितनी ऊष्मा अवशोषित की जा रही है। संक्षेप में, निरंतर प्रवाह कैलोरीमेट्री अत्यधिक विकसित तापमान नियंत्रण तंत्र है जिसका उपयोग अत्यधिक त्रुटिहीन कैलोरीमेट्री उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। यह नियंत्रित लैब रिएक्टर के जैकेट क्षेत्र को नियंत्रित करके कार्य करता है, जबकि थर्मल द्रव के इनलेट तापमान को स्थिर रखता है। यह अत्यधिक एक्ज़ोथिर्मिक या एंडोथर्मिक घटनाओं के अनुसार भी तापमान को त्रुटिहीन रूप से नियंत्रित करने की अनुमति देता है क्योंकि अतिरिक्त शीतलन हमेशा उस क्षेत्र को बढ़ाकर उपलब्ध होता है जिस पर ऊष्मा का आदान-प्रदान किया जा रहा है।

डेल्टा तापमान (टी) में परिवर्तन के रूप में यह प्रणाली सामान्यतः ऊष्मा संतुलन कैलोरीमेट्री (जिस पर यह आधारित है) से अधिक त्रुटिहीन हैout - टीin) द्रव प्रवाह को यथासंभव कम रखकर बढ़ाया जाता है।

निरंतर प्रवाह कैलोरीमेट्री के मुख्य लाभों में से ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक (यू) को गतिशील रूप से मापने की क्षमता है। हम ऊष्मा संतुलन समीकरण से जानते हैं कि:


 * क्यू = एमfसी.पीf।टीin - टीout

हम यह भी जानते हैं कि ऊष्मा प्रवाह समीकरण से


 * क्यू = यूए एलएमटीडी

इसलिए हम इसे इस प्रकार पुनर्व्यवस्थित कर सकते हैं


 * यू = एमfसी.पीf।टीin - टीout /ए.एलएमटीडी

इसलिए यह हमें यू को समय के कार्य के रूप में मॉनिटर करने की अनुमति देगा।

सतत प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर
ट्यूबलर रिएक्टरों में निरंतर प्रक्रियाओं के स्केल-अप के लिए थर्मोडायनामिक जानकारी प्राप्त करने के लिए सतत प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर विशेष रूप से उपयुक्त है। यह उपयोगी है क्योंकि जारी ऊष्मा विशेष रूप से गैर-चयनात्मक प्रतिक्रियाओं के लिए प्रतिक्रिया नियंत्रण पर दृढ़ता से निर्भर कर सकती है। सतत प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर के साथ ट्यूब रिएक्टर के साथ अक्षीय तापमान प्रोफ़ाइल अंकित की जा सकती है और प्रतिक्रिया की विशिष्ट ऊष्मा को ऊष्मा संतुलन और खंडीय गतिशील मापदंडों के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है। सिस्टम में ट्यूबलर रिएक्टर, डोजिंग सिस्टम, प्रीहीटर्स, तापमान सेंसर और फ्लो मीटर सम्मिलित होने चाहिए।

परंपरागत ताप प्रवाह कैलोरीमीटर में, प्रतिक्रिया का पूर्ण रूपांतरण प्राप्त करने के लिए, अर्ध-बैच प्रक्रिया के समान, प्रतिक्रियाशील को छोटी मात्रा में लगातार जोड़ा जाता है। ट्यूबलर रिएक्टर के विपरीत, यह लंबे समय तक निवास समय, विभिन्न पदार्थ सांद्रता और चापलूसी तापमान प्रोफाइल की ओर जाता है। इस प्रकार, अच्छी प्रकार से परिभाषित प्रतिक्रियाओं की चयनात्मकता प्रभावित नहीं हो सकती है। इससे उप-उत्पादों या लगातार उत्पादों का निर्माण हो सकता है जो प्रतिक्रिया की मापा ऊष्मा को बदलते हैं, क्योंकि अन्य बांड बनते हैं। वांछित उत्पाद की उपज की गणना करके उप-उत्पाद या द्वितीयक उत्पाद की मात्रा पाई जा सकती है।

यदि HFC (हीट फ्लो कैलोरीमेट्री) और PFR कैलोरीमीटर में मापी गई प्रतिक्रिया की ऊष्मा भिन्न-भिन्न होती है, तो संभवत: कुछ साइड रिएक्शन हुए हैं। उदाहरण के लिए वे भिन्न-भिन्न तापमान और रहने के समय के कारण हो सकते हैं। पूर्ण प्रकार से मापी गई Qr आंशिक रूप से ओवरलैप्ड रिएक्शन एन्थैल्पी (ΔHr) मुख्य और पार्श्व प्रतिक्रियाओं से बनी होती है, जो उनके रूपांतरण की डिग्री (U) पर निर्भर करती है।

यह भी देखें

 * नियंत्रित लैब रिएक्टर

संदर्भ

 * Continuous milli‑scale reaction calorimeter for direct scale‑up of flow chemistry Journal of Flow Chemistry https://doi.org/10.1007/s41981-021-00204-y
 * Reaction Calorimetry in continuous flow mode. A new approach for the thermal characterization of high energetic and fast reactions https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00117

बाहरी संबंध

 * Fluitec Contiplant Continuous Reactors