Sicurezza di processo chimico

La sicurezza di processo chimico punta a prevenire incidenti e problemi durante la produzione su larga scala di sostanze chimiche e farmaceutiche, che comporta il rilascio non intenzionale di materiali potenzialmente pericolosi e l'emissione di energia nell'ambiente durante una reazione chimica o a causa di una reazione incontrollata.

Nel settore chimico, gli incidenti legati alla sicurezza di processo avvengono per diversi motivi, tra cui:

• Dati mancanti
• Formazione insufficiente degli operatori
• Difetti tecnici
• Errori umani
• Concatenazione di coincidenze

I malfunzionamenti, gli errori umani e la mancata comprensione del processo e dei suoi parametri o della chimica utilizzata con tutte le possibili reazioni interferenti sono all'origine della maggior parte degli incidenti e dei problemi.

Identificare e comprendere i rischi e i pericoli affiancandoli a un'attenta valutazione del rischio consente di determinare il rischio di innescare eventuali decomposizioni e di non perdere il controllo della reazione.

La sicurezza di processo chimico è parte integrante di una valutazione di sicurezza completa per lo scale-up e la produzione, deve quindi essere considerata parte della politica e della cultura aziendali. Le linee guida che coprono la sicurezza di processo chimico, note con l'acronimo "HSE" o "SHE", sono incluse nelle direttive emesse da molti organismi di regolamentazione.

La sicurezza di processo chimico utilizza un insieme di diverse tecniche, tecnologie e modelli; richiede inoltre che si comprenda quali sono le reazioni volute e quelle potenzialmente indesiderate. Per ottenere queste informazioni, occorre studiare gli eventi termici, il trasferimento di calore, la miscelazione, il trasferimento di massa, l'evoluzione dei gas e la stabilità del materiale di partenza, la massa di reazione e i prodotti risultanti.

Vengono quindi utilizzati diversi metodi per garantire la sicurezza di processo chimico.

In breve, per evitare incidenti e problemi durante i progetti pilota o la produzione su larga scala. Generalmente, lo sviluppo dei prodotti segue tabelle di marcia con tempi minimi, in condizioni estreme e utilizzando piccole quantità di materiale. Nel corso degli anni, il numero dei processi chimici è aumentato, gli impianti sono diventati più complessi, la chimica è divenuta più esigente e tossica e le condizioni di reazione comportano rischi maggiori. Per questo motivo e in seguito al verificarsi di incidenti, gli organismi di regolamentazione e la società sono diventati più sensibili a questi problemi e hanno cercato di affrontarli attraverso le normative. Questa tendenza ha costretto le aziende a migliorare la sicurezza di processo chimico a livello generale e a sviluppare principi che consentano di garantire la sicurezza intrinseca dei processi chimici e della produzione di sostanze chimiche. Un progetto intrinsecamente sicuro permette di evitare i rischi chimici invece di limitarsi a tenerli sotto controllo.

Per garantire che la produzione sia sicura e conforme alle normative, occorre comprendere perfettamente il processo e i rischi a esso associati.

Conducendo attenti studi sulla sicurezza di processo chimico non solo si impedisce il verificarsi di reazioni incontrollate, si evita anche che gli impianti vengano danneggiati o distrutti e che le persone subiscano lesioni, oltre a tutelare l'ambiente dall'inquinamento.

L'obiettivo degli studi sulla sicurezza di processo chimico è ottenere una panoramica di tutti i potenziali pericoli, effetti e conseguenze. Vengono coperti aspetti come la sicurezza dei processi e dei prodotti, quella personale e la tutela ambientale. Ciascuno di questi aspetti deve essere tenuto presente, considerato e gestito in modo appropriato per garantire la sicurezza di una produzione su larga scala di sostanze chimiche.

Le conseguenze di incidenti o problemi che possono verificarsi negli stabilimenti chimici spaziano da problemi di lieve entità, che comportano la perdita di un lotto o lievi danni all'impianto, a situazioni disastrose, con lesioni o decesso dei dipendenti, impianti gravemente danneggiati o addirittura distrutti, danni ambientali e vittime in un'ampia zona nei dintorni dell'impianto. Gli incidenti di questa portata hanno anche un forte impatto sulla reputazione dell'azienda e determinano una perdita sul piano finanziario.

Tutto ciò giustifica gli investimenti per la sicurezza di processo chimico.

La sicurezza di processo chimico utilizza un insieme di diverse tecniche, tecnologie e modelli mediante i quali i ricercatori studiano la reazione chimica, le proprietà dei solventi e delle sostanze chimiche da utilizzare e i parametri di processo più adatti.

Le reazioni chimiche, il modo in cui procedono e la formazione di sottoprodotti e impurezze vengono generalmente controllati mediante i parametri di reazione, che comprendono temperatura, pH, pressione, velocità di dosaggio, agitazione, miscelazione, tipo di solvente, catalizzatore e molte altre variabili.

Nello sviluppo di un processo, occorre inoltre tenere conto di ulteriori parametri, come la cinetica della reazione chimica, la massima emissione di calore, l'accumulo di calore e materiale non processato, trasferimento di calore e di massa, variazioni della viscosità, ostruzioni, precipitazione o evoluzione dei gas.

Di conseguenza, l'analisi delle reazioni volute e delle potenziali reazioni indesiderate è estremamente importante per la sicurezza di processo chimico ed è oggetto di attenti studi.

Per analizzare il comportamento termico delle reazioni chimiche si utilizza la calorimetria. Mentre la calorimetria di reazione viene utilizzata per studiare la reazione desiderata, la calorimetria a scansione differenziale (DSC) viene tipicamente usata per studiare la reazione indesiderata. La reazione secondaria è spesso una decomposizione della massa di reazione o dei componenti coinvolti che porta, nel peggiore dei casi, a una reazione incontrollata.

I calorimetri di reazione forniscono dati termici, compresi i profili del flusso termico in funzione del tempo o del dosaggio, l'emissione di calore massima, l'accumulo termico, l'accumulo di reattanti, l'entalpia di reazione e i coefficienti di trasferimento termico. Lo studio dei processi chimici nei calorimetro di reazione consente inoltre di evidenziare eventuali dipendenze della reazione da agitazione e miscelazione. Unendo i dati forniti dal calorimetro di reazione a quelli raccolti mediante lo screening termico (ad esempio con calorimetri differenziali a scansione, DSC) è possibile estrapolare parametri di sicurezza come il grafico della reazione incontrollata o la criticità di una reazione.

I dati completi ottenuti mediante la calorimetria di reazione aiutano i ricercatori a identificare ed eliminare i parametri critici o non scalabili, consentendo quindi di ottenere un grado elevato di sicurezza di processo chimico.

Nella calorimetria di reazione si studia un processo chimico: nello specifico si approfondisce l'influenza che la reazione e i parametri di processo hanno sul progresso della reazione, la velocità di reazione, l'emissione di calore in funzione di tempo o dosaggio, la massima emissione di calore, l'effetto dell'accumulo di energia e reattante o il trasferimento di calore e massa.

Quando si effettua una reazione chimica in condizioni analoghe alle condizioni di processo, si determina la quantità di energia emessa o assorbita in funzione del tempo e la si registra insieme agli altri dati di processo.

RC1mx supporta diversi metodi per misurare il calore di reazione. Ad esempio, la comprovata tecnica del flusso di calore in cui il trasferimento di calore, come funzione del tempo, viene determinato mediante la calibrazione del coefficiente di trasferimento di calore oppure RTCal (che misura e fornisce il flusso di calore online in tempo reale).

Indipendentemente dal metodo utilizzato, alcuni speciali algoritmi garantiscono che il calore di reazione venga misurato in modo accurato e ripetibile, qualunque sia la configurazione del reattore e in tutte le condizioni sperimentali, comprese

• Condizioni di temperatura isotermiche
• Condizioni di temperatura non isotermiche
• Aggiunta di reattanti freddi e caldi

Per studi accurati sulla sicurezza di processo chimico si utilizzano i calorimetri di reazione per ottenere dati sulla reazione studiata, compresi:

• L'influenza delle variazioni nella miscelazione
• Le reazioni interferenti o consecutive
• Le capacità termiche variabili
• L'evaporazione o l'evoluzione dei gas

Singolarmente o riuniti in una stazione chimica integrata, questi strumenti forniscono un sostegno fondamentale per migliorare la sicurezza di processo chimico:

• Reattori di sintesi chimica
  Le stazioni di sintesi automatiche consentono di effettuare esperimenti senza la supervisione dell'operatore con un controllo accurato delle condizioni di reazione e raccogliendo i dati ottenuti da ogni esperimento, giorno e notte.
   

• Calorimetri di reazione
  Per effettuare lo screening di reazioni su piccola scala, identificare le condizioni non scalabili, esplorare i parametri di processo in vista dello scale-up e valutare i rischi e la criticità dei processi. La gamma di strumenti disponibili per la calorimetria di reazione contribuisce allo sviluppo di processi finanziariamente convenienti sicuri ed ecologici.
  
  
• Spettrometri FTIR e Raman
  Il monitoraggio continuo permette agli utenti di analizzare le tendenze dei componenti nel tempo per ottenere un "video molecolare" della reazione. Il monitoraggio in tempo reale e la profilazione delle specie reattive fondamentali in funzione del tempo di reazione agevola lo studio della cinetica e dei meccanismi di reazione
  
  
• Software iC
  Per trasformare i dati sperimentali in importanti conoscenze relative ai processi e integrare i flussi di dati per una comprensione e una gestione dei dati più completa. iC DataCenter acquisisce in sicurezza tutti i dati sperimentali e consente di prepararli e condividerli all'interno dell'organizzazione per contribuire alla costruzione di competenze a livello aziendale

La sicurezza di processo chimico e le relative applicazioni sono discusse in molte pubblicazioni. Di seguito una selezione:

• Thirumalai Lakshminarasimhan, Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 315-320
  
  
• Kamala Jyotsna G, Srikanth S, Ratnaparkhi V, et al. Reaction calorimetry as a tool for thermal risk assessment and improvement of safe scalable chemical processes. Inorg Chem Ind J. 2017;12(1):110
  
  
• Darja Pecar and Andreja Gorsek, Saponification Reaction System: a Detailed Mass Transfer Coefficient Determination, Acta Chim. Slov. 2015, 62, 237-241
  
  
• Christopher W. Mitchell, Josiah D. Strawser, Alex Gottlieb, Michael H. Millonig, Frederick A. Hicks, and Charles D. Papageorgiou, Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828-1835
  
  
• Min Hua, Min Qi, Xuhai Pan, Wendi Yu, Lu Zhang, and Juncheng Jianga, Inherently Safer Design for Synthesis of 3-Methylpyridine-N-Oxide, Process Safety Progress, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/prs.11952
  
  
• Alexandre M. Monteiro, Roy C. Flanagan, Process Safety Considerations for the Use of 1 M Borane Tetrahydrofuran Complex Under General Purpose Plant Conditions, Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 241-246
  
  
• Jingyao Wang, Yanyan Huang, Benjamin A. Wilhite, Maria Papadaki, M. Sam Mannan, Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3‑Methylpyridine N‑Oxide Synthesis, Industrial & Engineering Chemistry Research 2019 58 (15), 6093-6104