Thermochemical analysis of a reaction calorimeter

Abstract

Thermophysical properties have an important role in process development, modeling and safety analyses. They are used to design equipment, validate physical models, and assess safe working with chemicals and reactions. Different techniques and equipment can be used for their measurement. These techniques and equipment must be validated to obtain reliable results.

The aim of this work was to validate reaction calorimeter setup used for reaction enthalpy and specific heat capacity measurements. The validation was done by calibrating the apparatus with water experiments and measurements conducted with hydrolysis reaction of acetic anhydride. The validated apparatus was further used to measure specific heat capacities and reaction enthalpy from a system consisting of magnetite and diluted sulfuric acid. The overall results proved the apparatus to be rather accurate and give comparable results with literature data. In addition, the heat flow data obtained from the hydrolysis reaction could be used to determine its kinetic parameters, which were in agreement with literature data. Although the results were well guiding, they were found to be dependent and sensitive to experimental parameters, such as reaction time, temperature, scanning rate and possibly occurring phase transition phenomena.

The data received from the magnetite and diluted sulfuric acid system could not be used for obtaining accurate reaction enthalpy results. Hence, it was used to perform a sensitivity analysis, which can be used to plan further experiments conducted with the system.

Termofysikaalisilla ominaisuuksilla on tärkeä rooli prosessikehityksessä, mallinnuksessa ja turvallisuusanalyyseissa. Niitä käytetään suunnittelussa, validoimaan fysikaalisia malleja ja arvioimaan turvallista työskentelyä kemikaaleilla ja reaktioilla. Näitä ominaisuuksia voidaan mitata erilaisilla menetelmillä ja laitteilla. Nämä menetelmät ja laitteet tulee validoida ennen kuin mitattuihin tuloksiin voi luottaa.

Tämän työn tarkoitus oli validoida reaktiokalorimetrilaitteisto reaktioentalpia- ja ominaislämpökapasiteettimittauksia varten. Validointi tehtiin kalibroimalla laitteisto vesimittauksilla ja suorittamalla mittauksia etikkahappoanhydridin hydrolyysireaktiosta. Validoitua laitteistoa käytettiin mittaamaan ominaislämpökapasiteettia ja reaktioentalpiaa systeemistä, joka koostui magnetiitista ja laimennetusta rikkihaposta. Tulokset osoittivat, että laitteisto on tarkka ja antaa kirjallisuuteen vertailukelpoisia kohtalaisia tuloksia. Lisäksi hydrolyysireaktiosta saadun lämpövuodatan avulla pystyttiin määrittämään reaktion kineettiset parametrit. Nämä olivat myös sopusoinnussa kirjallisuudesta löytyvän datan kanssa. Työn aikana huomattiin, että tulosten tarkkuus oli vahvasti riippuvainen ja herkkä mittauksissa käytettyjen parametrien muutoksille. Näitä parametreja olivat muun muassa reaktioaika, lämpötila, skannausnopeus ja mahdollisesti tapahtuvat faasimuutokset.

Magnetiitista ja laimennetusta rikkihaposta koostuvasta systeemistä saatua dataa ei pystynyt hyödyntämään reaktioentalpian tarkan arvon määrittämiseen. Dataa käytettiin kuitenkin herkkyysanalyysin tekemiseen, jota voidaan soveltaa muihin samalla systeemillä tehtävien kokeiden suunnitteluun.