प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर

मूल RC1 कैलोरीमीटर

एक प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर एक कैलोरीमीटर है जो रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा जारी (एक्ज़ोथिर्मिक ) या अवशोषित (एन्दोठेर्मिक ) ऊर्जा की मात्रा को मापता है। ये माप ऐसी प्रतिक्रियाओं की अधिक सटीक तस्वीर प्रदान करते हैं।

अनुप्रयोग

प्रयोगशाला पैमाने से बड़े पैमाने पर प्रतिक्रिया को बढ़ाने पर विचार करते समय, यह समझना महत्वपूर्ण है कि कितनी गर्मी जारी होती है। एक छोटे पैमाने पर, जारी की गई गर्मी चिंता का कारण नहीं हो सकती है, हालांकि जब स्केलिंग होती है, तो बिल्ड-अप बेहद खतरनाक हो सकता है।

समाधान से एक प्रतिक्रिया उत्पाद को क्रिस्टलीकृत करना एक अत्यधिक लागत प्रभावी शुद्धिकरण तकनीक है। इसलिए यह मापने में सक्षम होना मूल्यवान है कि इसे अनुकूलित करने में सक्षम होने के लिए क्रिस्टलाइजेशन कितना प्रभावी ढंग से हो रहा है। प्रक्रिया द्वारा अवशोषित गर्मी एक 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 (एक समय हल माप तकनीक 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, हालांकि रासायनिक प्रक्रिया के हिस्से के रूप में आयोजित होने वाली प्रतिक्रियाओं को पूरी तरह से समझने के लिए कैलोरीमेट्री एक तेज़ और आसान तरीका है।

हीट फ्लो कैलोरीमेट्री

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

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

कहाँ

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

$U$ = समग्र ताप अंतरण गुणांक (W/(m²के))

$A$ = गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र (एम²)

$T_{r}$ = प्रक्रिया तापमान (कश्मीर)

$T_{j}$ = जैकेट तापमान (के)

गर्मी प्रवाह कैलोरीमेट्री उपयोगकर्ता को गर्मी को मापने की अनुमति देता है जबकि प्रक्रिया का तापमान नियंत्रण में रहता है। जबकि प्रेरक शक्ति T_r − T_j अपेक्षाकृत उच्च रिज़ॉल्यूशन, 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 सटीकता प्राप्त की जा सकती है जो सीमाओं को जानते हैं और एक उपकरण से सर्वोत्तम परिणाम कैसे प्राप्त करते हैं।

रीयल-टाइम कैलोरीमेट्री

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

ऊष्मा संतुलन कैलोरीमिति

गर्मी 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))

$T_{i}$ = गर्मी हस्तांतरण तरल पदार्थ (के) का इनलेट तापमान

$T_{o}$ = गर्मी 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 गर्मी प्रवाह और बिजली क्षतिपूर्ति कैलोरीमेट्री द्वारा सामना की जाने वाली अधिकांश अंशांकन समस्याओं को समाप्त करता है। दुर्भाग्य से, पारंपरिक बैच के जहाजों में विधि अच्छी तरह से काम नहीं करती है क्योंकि कूलिंग / हीटिंग जैकेट में बड़े हीट शिफ्ट द्वारा प्रक्रिया हीट सिग्नल अस्पष्ट है।

बिजली मुआवजा कैलोरीमेट्री

'ऊष्मा प्रवाह' तकनीक 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 शुरू 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 गर्मी माप के समय प्रारंभिक विद्युत शक्ति और विद्युत शक्ति की मांग के बीच के अंतर से निर्धारित होती है। ताप प्रवाह कैलोरीमेट्री की तुलना में बिजली मुआवजा विधि स्थापित करना आसान है, लेकिन 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 एक विद्युत ताप तत्व की उपस्थिति भी अवांछनीय है। विधि इस तथ्य से और सीमित है कि यह मापी जाने वाली सबसे बड़ी गर्मी 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

File:Coflux1.png

COFLUX प्रणाली का आरेख

कैलोरीमेट्री में एक हालिया विकास, हालांकि, निरंतर फ्लक्स कूलिंग/हीटिंग जैकेट का है। ये वेरिएबल ज्योमेट्री कूलिंग जैकेट्स का इस्तेमाल करते हैं और काफी स्थिर तापमान पर कूलिंग जैकेट्स के साथ काम कर सकते हैं। ये प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर उपयोग करने के लिए बहुत आसान होते हैं और प्रक्रिया स्थितियों में परिवर्तन के प्रति अधिक सहिष्णु होते हैं (जो गर्मी प्रवाह या बिजली क्षतिपूर्ति कैलोरीमीटर में अंशांकन को प्रभावित करेगा)।

प्रतिक्रिया कैलोरीमेट्री का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अत्यधिक तापीय घटनाओं के सामने तापमान को नियंत्रित करने की क्षमता है। एक 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 गर्मी अवशोषित की जा रही है।

को-फ्लक्स कैलोरीमीटर का एक उदाहरण

संक्षेप में, निरंतर प्रवाह कैलोरीमेट्री एक अत्यधिक विकसित तापमान नियंत्रण तंत्र है जिसका उपयोग अत्यधिक सटीक कैलोरीमेट्री उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। यह एक नियंत्रित लैब रिएक्टर के जैकेट क्षेत्र को नियंत्रित करके काम करता है, जबकि थर्मल द्रव के इनलेट तापमान को स्थिर रखता है। यह अत्यधिक एक्ज़ोथिर्मिक या एंडोथर्मिक घटनाओं के तहत भी तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करने की अनुमति देता है क्योंकि अतिरिक्त शीतलन हमेशा उस क्षेत्र को बढ़ाकर उपलब्ध होता है जिस पर गर्मी का आदान-प्रदान किया जा रहा है।

डेल्टा तापमान (टी) में परिवर्तन के रूप में यह प्रणाली आम तौर पर गर्मी संतुलन कैलोरीमेट्री (जिस पर यह आधारित है) से अधिक सटीक है_out - टी_in) द्रव प्रवाह को यथासंभव कम रखकर बढ़ाया जाता है।

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

क्यू = एम_fसी.पी_f।टी_in - टी_out

हम यह भी जानते हैं कि ऊष्मा प्रवाह समीकरण से

क्यू = यूए एलएमटीडी

इसलिए हम इसे इस तरह पुनर्व्यवस्थित कर सकते हैं

यू = एम_fसी.पी_f।टी_in - टी_out /ए.एलएमटीडी

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

सतत प्रतिक्रिया कैलोरीमीटर

मूल सामग्री 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 गर्मी 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 एक अक्षीय तापमान प्रोफ़ाइल दर्ज की जा सकती है और प्रतिक्रिया की विशिष्ट गर्मी को गर्मी संतुलन और खंडीय गतिशील मापदंडों के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है। सिस्टम में एक ट्यूबलर रिएक्टर, डोजिंग सिस्टम, प्रीहीटर्स, तापमान सेंसर और फ्लो मीटर शामिल होने चाहिए।

परंपरागत ताप प्रवाह कैलोरीमीटर में, प्रतिक्रिया का पूर्ण रूपांतरण प्राप्त करने के लिए, अर्ध-बैच प्रक्रिया के समान, एक 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 तरह 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 गर्मी 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 अलग-अलग होती है, तो संभवत: कुछ साइड रिएक्शन हुए हैं। उदाहरण के लिए वे अलग-अलग तापमान और रहने के समय के कारण हो सकते हैं। पूरी तरह 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