Evitare i rischi di esplosione e i pericoli delle reazioni chimiche

Un'esplosione è un rapido aumento del volume e del rilascio di energia in modo estremo, di solito con la generazione di alte temperature e il rilascio di gas. Le esplosioni in  un impianto chimico devono essere evitate a tutti i costi. Ci sono due cause principali  di esplosioni durante un processo chimico:

• Il materiale è energeticamente instabile e ha proprietà esplosive. Uno studio completo sulla sicurezza del processo identificherà se i materiali sono sensibili agli urti, all'attrito, al calore, ecc. e potrebbe dettare procedure speciali per una manipolazione sicura.
• Il processo potrebbe portare a una generazione incontrollata di calore o gas, con conseguente fuoriuscita di vapore infiammabile, o a una sovrapressurizzazione del reattore che porta alla rottura e alla perdita del contenuto, che può essere infiammabile.

Al fine di evitare il rischio di generazione incontrollata di calore, è imperativo che il processo sia studiato utilizzando un calorimetro di reazione al fine di determinare il calore di reazione (entalpia) e la velocità di rilascio del calore, in modo da poter progettare un processo che minimizzi il rischio di perdita di controllo.

L'accumulo si riferisce tipicamente al materiale dosato durante una reazione semi-batch che non reagisce immediatamente.  La concentrazione di questo materiale si accumula e rappresenta un pericolo se la reazione inizia a funzionare a una velocità maggiore o se si verifica un guasto al raffreddamento. L'accumulo può essere misurato utilizzando un calorimetro di reazione per determinare la velocità con cui viene prodotto il calore e come questo si confronta con il tasso di addizione. È anche possibile utilizzare l'analisi in situ per misurare direttamente la concentrazione del reagente non reagito.

Quando si studia un processo per la sicurezza, è essenziale confermare se viene prodotto gas e in quali circostanze. In alcuni casi, come la decarbossilazione che rilascia CO₂, questa è una parte ovvia e prevista del processo.  In altri casi,  come all'inizio della fuga durante la nitrazione, la produzione di gas può essere dovuta a una reazione laterale o a una decomposizione inaspettata. L'evoluzione inaspettata del gas può portare rapidamente a una sovrapressurizzazione dell'apparecchiatura, con il rischio di perdita di contenimento o addirittura di rottura dell'impianto, con conseguenze catastrofiche.

La misurazione dell'evoluzione dei gas è una parte cruciale delle indagini sulla sicurezza dei processi su scala di laboratorio e il calorimetro di reazione può essere facilmente dotato di un misuratore o di un sistema di sensori per rilevare quantitativamente il tempo e la velocità di evoluzione dei gas, in modo da poter effettuare un'adeguata fornitura su larga scala.

Quando un liquido evapora, richiede una notevole quantità di energia per passare dalla fase liquida alla fase vapore. Questo è noto come calore latente di evaporazione. Questo fenomeno viene spesso utilizzato durante la produzione chimica su larga scala per aiutare a rimuovere il calore dal sistema, riducendo così i costi e aumentando la sicurezza del processo. È quindi pratica comune operare almeno una parte di un processo batch in condizioni di reflusso, al fine di massimizzare la velocità di reazione mantenendo un processo sicuro ed efficiente. Il funzionamento di un calorimetro di reazione in condizioni di riflusso richiede un'attenzione particolare per catturare il calore che viene sottratto al condensatore a riflusso e per garantire che il bilancio energetico completo del processo sia mantenuto anche in condizioni di riflusso.

Questo articolo valuta le seguenti domande sull'accumulo termico attraverso casi di studio pratici sia in laboratorio che in impianto:

• Perché e quando si verifica l'accumulo termico?
• L'accumulo termico è importante da considerare e quanto è grande?
• Qual è l'impatto di un calcolo errato dell'accumulo termico?

Le reazioni autocatalitiche tendono ad iniziare molto lentamente, per poi aumentare improvvisamente di velocità a causa della formazione di composti catalitici o intermedi. Questo può essere estremamente pericoloso su larga scala, poiché può significare la rapida produzione di grandi quantità di calore che il sistema di raffreddamento non è in grado di rimuovere. È di fondamentale importanza sapere in anticipo se un sistema mostra un comportamento autocatalitico, in modo che il processo possa essere progettato correttamente. Il calorimetro di reazione consente la misurazione diretta del tasso di produzione di calore e l'analisi in situ può fornire ulteriori informazioni sulla velocità con cui avviene la reazione.

L'inizio è il punto in cui inizia la reazione chimica, e non è necessariamente quando i reagenti vengono miscelati. In alcuni casi, l'inizio avviene solo dopo che è trascorso un certo periodo di tempo (durante l'autocatalisi), quando è stato consumato un materiale inibitore o quando è stata raggiunta una certa temperatura (durante una reazione non isoterma o una decomposizione). L'esistenza di un periodo di inizio non significa necessariamente che la reazione sia pericolosa, Ma è di vitale importanza che i parametri dell'evento (tempo, durata, ecc.) siano ben compresi per evitare condizioni pericolose. Ad esempio, le reazioni di Grignard subiscono tipicamente un inizio ritardato ed è importante non aggiungere troppo alogenuro al reattore prima che l'inizio sia stato confermato. In caso contrario, c'è un alto rischio di accumulo e fuga.

Scopri come la calorimetria di reazione aiuta gli scienziati a esaminare rapidamente le condizioni e a scalare in modo sicuro, senza la necessità di grandi volumi di test. Gli esempi presentati includono:

• Rilevamento del rilascio di calore durante la modifica della temperatura
• Comprendere l'effetto dell'accumulo di calore
• Screening dei problemi di scalabilità su piccola scala
• Eliminazione del rischio di reazioni incontrollate

La deflagrazione si verifica quando un materiale solido, come un reattore o un contenitore di stoccaggio, subisce una reazione di decomposizione autosufficiente che libera quantità significative di energia (calore).  La deflagrazione è essenzialmente una combustione, ma può verificarsi in assenza di ossigeno dall'atmosfera. La deflagrazione differisce dalla detonazione, principalmente per quanto riguarda la velocità della reazione, con una detonazione che avviene a velocità supersonica e una deflagrazione a velocità sub-sonica. Durante un processo chimico, la deflagrazione deve essere evitata a tutti i costi. Gli studi sulla sicurezza dei processi chimici dovrebbero sempre includere una valutazione della suscettibilità del materiale alla deflagrazione (e all'esplosione), nonché la comprensione delle temperature che potrebbero essere raggiunte durante il processo, soprattutto in caso di interruzione del processo o di guasto del raffreddamento.

Il sistema di riscaldamento e raffreddamento del calorimetro di reazione RC1 si basa su un fluido termovettore circolante ad alta velocità e una grande quantità di olio pre-raffreddato. Mentre l'alta velocità garantisce una risposta rapida alle variazioni di temperatura, il serbatoio con l'olio pre-raffreddato garantisce un raffreddamento istantaneo in caso di grande esotermia o emergenza. Insieme agli algoritmi che garantiscono la massima precisione di calcolo, il termostato è progettato per rispondere rapidamente alle mutevoli condizioni del reattore al fine di mantenere accuratamente la temperatura desiderata.

Il sistema di controllo della temperatura del calorimetro a reazione EasyMax e OptiMax utilizza il concetto di riscaldamento elettrico e la tecnologia di raffreddamento a stato solido basata su Peltier. Sia il riscaldamento che il raffreddamento sono estremamente veloci grazie al design compatto del termostato e consentono al sistema di raggiungere temperature ben al di sotto di 0 °C senza l'uso di un criostato. Come risultato del design, i requisiti di spazio sono minimi.