Verhindern Sie Explosionsrisiken und Gefahren von chemischen Reaktionen

Bei einer Explosion steigt das Volumen schnell an und es wird Energie auf extreme Art freigegeben. In der Regel entstehen dabei hohe Temperaturen und es werden Gase freigesetzt. Explosionen in  einer Chemieanlage müssen um jeden Preis vermieden werden. Es gibt zwei Hauptursachen  für Explosionen bei einem chemischen Prozess:

• Das Material ist energetisch instabil und weist explosive Eigenschaften auf. Bei einer umfassenden Sicherheitsanalyse des Prozesses wird identifiziert, ob Materialien empfindlich auf Stösse, Reibung, Wärme usw. reagieren. Ausserdem werden eventuell spezielle Vorgehensweisen für die sichere Handhabung bestimmt.
• Der Prozess könnte zu einer unkontrollierten Wärme- oder Gaserzeugung führen, durch die entflammbare Dämpfe austreten oder ein Überdruck im Reaktor entsteht. Dies kann einen Reaktorriss und den Verlust von möglicherweise entflammbaren Stoffen zur Folge haben.

Um die Gefahr einer unkontrollierten Wärmeerzeugung zu verhindern, muss der Prozess unbedingt mit einem Reaktionskalorimeter untersucht werden, um die Reaktionswärme (Enthalpie) und den Grad der Wärmefreisetzung zu bestimmen. Auf diese Weise kann ein Prozess mit einem minimalen Risiko für einen Kontrollverlust entwickelt werden.

Mit Akkumulation ist in der Regel gemeint, dass Material während einer Semi-Batch-Reaktion dosiert wird und nicht sofort abreagiert.  Die Konzentration dieses Materials staut sich/nimmt zu und stellt ein Risiko dar, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit beginnt zuzunehmen oder die Kühlung ausfällt. Die Akkumulation kann mithilfe eines Reaktionskalorimeters gemessen werden, um den Grad zu ermitteln, bei dem Wärme erzeugt wird, und um zu bestimmen, wie sich dieser zur Additionsrate verhält. Es ist auch möglich, eine in-situ-Analyse zu nutzen, um die Konzentration des ungebundenen Reagenz direkt zu messen.

Wenn ein Prozess auf Sicherheit überprüft wird, muss überprüft werden, ob und unter welchen Umständen Gas freigesetzt wird. In einigen Fällen, wie z. B. bei der  Decarboxylierung, bei der CO₂ freigesetzt wird,  ist dies ein offensichtlicher und erwarteter Aspekt des Prozesses.  In anderen Fällen,  wie z. B.  beim Beginn einer unkontrollierten Reaktion während der Nitrierung, kann die Ursache für eine Gaserzeugung eine unerwartete Nebenreaktion oder Zersetzung sein. Eine unerwartete Gasbildung kann schnell einen Überdruck der Geräte verursachen. Dabei besteht das Risiko, dass sich Leckagen oder sogar Risse in der Anlage bilden, die verheerende Folgen haben können.

Die Messung der Gasbildung ist daher ein essentieller Bestandteil bei der Untersuchung der Prozesssicherheit im Labormassstab. Das Reaktionskalorimeter kann problemlos mit einem Mess- oder Sensorsystem ausgerüstet werden, um die Dauer und Rate der Gasbildung mengenmässig zu erfassen. So können geeignete Massnahmen im entsprechenden Massstab getroffen werden.

Wenn eine Flüssigkeit verdunstet, ist eine sehr grosse Menge an Energie notwendig, um von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase überzugehen. Dies wird als latente Verdunstungswärme bezeichnet. Dieses Phänomen wird häufig bei der grosstechnischen Chemikalienherstellung eingesetzt, um die Wärme aus dem System leichter zu entfernen und dadurch die Kosten zu senken sowie die Prozesssicherheit zu erhöhen. Es ist daher gängige Praxis, mindestens einen Teil eines Chargenprozesses unter Rückflussbedingungen zu betreiben, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu maximieren und gleichzeitig einen sicheren und effizienten Prozess beizubehalten. Der Betrieb eines Reaktionskalorimeters unter Rückflussbedingungen erfordert besondere Aufmerksamkeit bei der Erfassung der Wärme, die im Refluxkondensator aufgenommen wird, und um sicherzustellen, dass die gesamte Energiebilanz dieses Prozesses selbst unter Rückflussbedingungen aufrechterhalten wird.

In diesem Paper werden die folgenden Fragen zur thermischen Akkumulation durch praktische Fallstudien sowohl im Labor als auch in der Anlage beleuchtet:

• Warum und wann genau kommt es zu thermischer Akkumulation?
• Wie bedeutend ist der Einfluss der thermischen Akkumulation und was ist zu beachten?
• Was sind die Auswirkungen einer fehlerhaft berechneten thermischen Akkumulation?

Autokatalytische Reaktionen haben die Tendenz, sehr langsam zu beginnen und aufgrund der Bildung von katalytischen Verbindungen und Zwischenprodukten dann plötzlich schneller zu werden. Dies kann im grosstechnischen Massstab äusserst gefährlich sein, da so grosse Mengen an Hitze entstehen können, die das Kühlsystem nicht abführen kann. Es ist überaus wichtig im Voraus zu wissen, ob ein System ein autokatalytisches Verhalten aufweist, damit der Prozess entsprechend ausgelegt werden kann. Das Reaktionskalorimeter ermöglicht die direkte Messung der Wärmeerzeugungsrate, und eine in-situ-Analyse kann weitere Informationen über die Rate geben, bei der die Reaktion abläuft.

Initiierung ist der Punkt, an dem die chemische Reaktion beginnt. Dies ist nicht unbedingt dann, wenn die Reagenzien gemischt werden. In einigen Fällen tritt die Initiierung nur ein, nachdem eine bestimmte Zeitspanne abgelaufen ist (während der Autokatalyse), wenn ein hemmendes Material verbraucht wurde oder wenn eine bestimmte Temperatur erreicht wird (während einer nicht isothermen Reaktion oder einer Zersetzung). Das Vorhandensein einer Initiierungsperiode bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Reaktion gefährlich ist. Aber es ist wichtig, die Parameter des Ereignisses (Zeit, Dauer usw.) ausnahmslos zu verstehen, um gefährliche Bedingungen zu vermeiden. Beispielsweise durchlaufen Grignard-Reaktionen in der Regel eine verzögerte Initiierung, und es ist wichtig, nicht zu viel Halogenid zum Reaktor zu geben, bevor die Initiierung bestätigt wurde. Andernfalls besteht ein grosses Risiko einer Akkumulation oder einer unkontrollierten Reaktion.

Erfahren Sie, wie die Reaktionskalorimetrie Wissenschaftlern dabei hilft, Bedingungen rasch zu screenen und ein sicheres Scale-up durchzuführen – ohne dass grosse Prüfvolumen erforderlich sind. Zu den vorgestellten Beispielen zählen:

• Erkennen der Wärmeabgabe bei Temperaturänderung
• Verstehen der Auswirkung von Wärmeansammlung
• Filtern nach Skale-up-Problemen in kleinem Massstab
• Beseitigen des Problems von unkontrollierten Reaktionen 

Eine Verpuffung tritt ein, wenn ein festes Material, wie z. B. ein Reaktorgefäss oder Aufbewahrungsbehälter, eine selbst erhaltende Zersetzungsreaktion durchläuft, bei der erhebliche Mengen an Energie (Wärme) freigesetzt werden. Eine Verpuffung tritt vor allem beim Verbrennen auf, kann aber auch bei Abwesenheit von Sauerstoff in der Atmosphäre vorkommen. Verpuffung unterscheidet sich vor allem in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit von der Detonation. Eine Detonation tritt bei Überschallgeschwindigkeit und eine Verpuffung bei Unterschallgeschwindigkeit auf. Bei chemischen Prozessen muss eine Verpuffung um jeden Preis verhindert werden. Studien zur Sicherheit chemischer Prozesse sollten immer eine Bewertung der Anfälligkeit des Materials für eine Verpuffung (und Explosion) enthalten sowie Informationen darüber, welche Temperaturen beim Prozess erreicht werden können, vor allem im Fall einer Prozessstörung oder eines Kühlausfalls.

Das Heiz- und Kühlsystem des RC1-Reaktionskalorimeters basiert auf zirkulierender Wärmeträgerflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit und einer grossen Menge an vorgekühltem Öl. Während die hohe Geschwindigkeit eine schnelle Reaktion auf Temperaturveränderungen sicherstellt, garantiert der Behälter mit dem vorgekühlten Öl eine sofortige Kühlung im Fall einer hohen exothermen Reaktion oder eines Notfalls. Zusammen mit den Algorithmen, die die höchste Berechnungspräzision sicherstellen, ist der Thermostat darauf ausgelegt, schnell auf sich ändernde Bedingungen im Reaktor zu reagieren, um die gewünschte Temperatur genau beizubehalten.

Das Temperaturkontrollsystem der EasyMax und OptiMax Reaktionskalorimeter nutzt das Konzept der Elektroheizung und der peltierbasierten Solid-State-Kühltechnologie. Aufgrund der kompakten Thermostatbauart sind Heizung und Kühlung extrem schnell. So kann das System selbst ohne Kryostat Temperaturen weit unter 0 °C erreichen. Dank dieser Bauart ist der Platzbedarf nur minimal.