Vermijd explosierisico's en gevaren van chemische reacties

Een explosie is een snelle toename van het volume en het vrijkomen van energie op een extreme manier, meestal met het genereren van hoge temperaturen en het vrijkomen van gassen. Explosies in  een chemische fabriek moeten koste wat het kost worden voorkomen. Er zijn twee primaire  oorzaken van explosies tijdens een chemisch proces:

• Het materiaal is energetisch onstabiel en heeft explosieve eigenschappen. Een uitgebreide veiligheidsstudie van het proces zal vaststellen of materialen gevoelig zijn voor schokken, wrijving, hitte, enz., en kan speciale procedures voor veilig gebruik dicteren.
• Het proces kan leiden tot ongecontroleerde warmte- of gasontwikkeling, wat resulteert in het ontsnappen van ontvlambare damp, of een overdruk van de reactor die leidt tot breuk en verlies van inhoud, die ontvlambaar kan zijn.

Om het risico van ongecontroleerde warmteontwikkeling te vermijden, is het absoluut noodzakelijk dat het proces wordt bestudeerd met behulp van een reactiecalorimeter om de reactiewarmte (enthalpie) en de snelheid van warmteafgifte te bepalen, zodat een proces kan worden ontworpen dat het risico op verlies van controle minimaliseert.

Accumulatie verwijst meestal naar materiaal dat wordt gedoseerd tijdens een semi-batchreactie die niet meteen reageert.  De concentratie van dit materiaal bouwt zich op/hoopt zich op en vormt een gevaar als de reactie vervolgens sneller begint te verlopen of als er een koelstoring is. Accumulatie kan worden gemeten met behulp van een reactiecalorimeter om de snelheid te bepalen waarmee warmte wordt geproduceerd en hoe dat zich verhoudt tot de snelheid van toevoeging. Het is ook mogelijk om in-situ analyse te gebruiken om de concentratie van het niet-gereageerde reagens direct te meten.

Wanneer een proces wordt bestudeerd op veiligheid, is het essentieel om te bevestigen of er gas wordt geproduceerd en onder welke omstandigheden. In sommige gevallen, zoals bij decarboxylering waarbij CO₂ vrijkomt, is dit een voor de hand liggend en verwacht onderdeel van het proces.  In andere gevallen,  zoals bij het begin van de runaway tijdens nitratie, kan de gasproductie het gevolg zijn van een onverwachte nevenreactie of ontbinding. Onverwachte gasevolutie kan snel leiden tot overdruk van de apparatuur, met het risico van verlies van insluiting of zelfs scheuren van de installatie, met catastrofale gevolgen.

Het meten van de gasevolutie is een cruciaal onderdeel van procesveiligheidsonderzoeken op laboratoriumschaal, en de reactiecalorimeter kan eenvoudig worden uitgerust met een meter of sensorsysteem om de tijd en snelheid van de gasontwikkeling kwantitatief te detecteren, zodat op schaal de juiste voorzieningen kunnen worden getroffen.

Wanneer een vloeistof verdampt, heeft deze een aanzienlijke hoeveelheid energie nodig om van de vloeibare fase naar de dampfase te veranderen. Dit staat bekend als de latente verdampingswarmte. Dit fenomeen wordt vaak gebruikt tijdens grootschalige chemische productie om warmte uit het systeem te verwijderen en zo de kosten te verlagen en de veiligheid van het proces te vergroten. Het is dus gebruikelijk om ten minste een deel van een batchproces te gebruiken onder omstandigheden van reflux, om de reactiesnelheid te maximaliseren en tegelijkertijd een veilig en efficiënt proces te behouden. Het gebruik van een reactiecalorimeter onder refluxomstandigheden vereist speciale aandacht om de warmte op te vangen die wordt onttrokken aan de refluxcondensor en om ervoor te zorgen dat de volledige energiebalans van het proces behouden blijft, zelfs onder refluxomstandigheden.

Dit artikel beoordeelt de volgende vragen over thermische accumulatie aan de hand van praktische casestudy's van zowel het lab als de fabriek:

• Waarom en wanneer vindt thermische accumulatie plaats?
• Is thermische accumulatie belangrijk om te overwegen en hoe groot is het?
• Wat is de impact van een onjuiste berekening van thermische accumulatie?

Autokatalytische reacties hebben de neiging om heel langzaam te beginnen en dan plotseling in snelheid toe te nemen als gevolg van de vorming van katalytische verbindingen of tussenproducten. Dit kan op grote schaal uiterst gevaarlijk zijn, omdat het kan betekenen dat er snel grote hoeveelheden warmte worden geproduceerd die het koelsysteem niet kan verwijderen. Het is van cruciaal belang om van tevoren te weten of een systeem autokatalytisch gedrag vertoont, zodat het proces goed kan worden ontworpen. De reactiecalorimeter maakt het mogelijk om de snelheid van warmteproductie direct te meten, en in-situ analyse kan meer informatie geven over de snelheid waarmee de reactie plaatsvindt.

Initiatie is het punt waarop de chemische reactie begint, en niet noodzakelijkerwijs wanneer de reagentia worden gemengd. In sommige gevallen vindt initiatie pas plaats nadat een bepaalde periode is verstreken (tijdens autokatalyse), wanneer een remmend materiaal is verbruikt of wanneer een bepaalde temperatuur is bereikt (tijdens een niet-isotherme reactie of een ontbinding). Het bestaan van een initiatieperiode betekent niet noodzakelijkerwijs dat de reactie gevaarlijk is, Maar het is van vitaal belang dat de parameters van de gebeurtenis (tijd, duur, enz.) goed worden begrepen om gevaarlijke omstandigheden te voorkomen. Grignard-reacties ondergaan bijvoorbeeld meestal een vertraagde initiatie en het is belangrijk om niet te veel halogenide aan de reactor toe te voegen voordat de start is bevestigd. Anders is er een groot risico op accumulatie en weglopen.

Ontdek hoe reactiecalorimetrie wetenschappers helpt om snel omstandigheden te screenen en veilig op te schalen, zonder dat er grote testvolumes nodig zijn. Voorbeelden hiervan zijn:

• Detectie van warmteafgifte tijdens het wijzigen van de temperatuur
• Inzicht in het effect van warmteaccumulatie
• Screening op schaalbaarheidsproblemen op kleine schaal
• Het risico op op hol geslagen reacties elimineren

Deflagratie treedt op wanneer een vast materiaal, zoals een reactorvat of opslagcontainer, een zichzelf in stand houdende ontbindingsreactie ondergaat waarbij aanzienlijke hoeveelheden energie (warmte) vrijkomen.  Ontploffing is in wezen brandend, maar kan optreden bij afwezigheid van zuurstof uit de atmosfeer. Deflagratie verschilt van detonatie, voornamelijk met betrekking tot de snelheid van de reactie, waarbij een detonatie plaatsvindt met supersonische snelheid en deflagratie met subsonische snelheid. Tijdens een chemisch proces moet deflagratie ten koste van alles worden voorkomen. Chemisch procesveiligheidsonderzoek moet altijd een beoordeling omvatten van de gevoeligheid van het materiaal voor deflagratie (en explosie), evenals inzicht in welke temperaturen tijdens het proces kunnen worden bereikt, vooral in geval van procesverstoring of koelstoring.

Het verwarmings- en koelsysteem van de RC1 Reaction Calorimeter is gebaseerd op circulerende warmteoverdrachtsvloeistof met een hoge snelheid en een grote hoeveelheid voorgekoelde olie. Terwijl de hoge snelheid zorgt voor een snelle reactie op temperatuurveranderingen, garandeert het reservoir met de voorgekoelde olie onmiddellijke koeling in geval van een grote exotherm of noodgeval. Samen met de algoritmen die zorgen voor de hoogste berekeningsprecisie, is de thermostaat ontworpen om snel te reageren op veranderende omstandigheden in de reactor om de gewenste temperatuur nauwkeurig te handhaven.

Het temperatuurregelsysteem van de EasyMax en OptiMax Reaction Calorimeter maakt gebruik van het concept van elektrische verwarming en op Peltier gebaseerde solid-state koeltechnologie. Zowel verwarmen als koelen gaan extreem snel door het compacte thermostaatontwerp en stellen het systeem in staat om temperaturen ver onder 0 °C te bereiken zonder het gebruik van een cryostaat. Als gevolg van het ontwerp zijn de benodigde ruimte minimaal.