Bezpieczeństwo procesów chemicznych

W dążeniu do zachowania bezpieczeństwa procesów chemicznych uwagę zwraca się przede wszystkim na zapobieganie wypadkom podczas produkcji środków chemicznych i farmaceutyków na wielką skalę. Pod tymi pojęciami rozumie się niezamierzone uwolnienie do środowiska potencjalnie groźnych energii i materiałów z trwającej reakcji. Zdarzenie takie może być przypadkowe lub spowodowane utratą kontroli nad reakcją.

Incydenty dotyczące bezpieczeństwa procesów w branży chemicznej mogą mieć różne przyczyny:

• brak informacji,
• niedostateczne wyszkolenie operatorów,
• wady techniczne,
• błędy operatora,
• niefortunny ciąg zdarzeń lub zbieg okoliczności.

Wśród najczęstszych przyczyn incydentów i wypadków wymienia się awarie, błędy operatora, brak zrozumienia procesu i jego parametrów oraz brak wiedzy dotyczącej możliwych reakcji ubocznych.

Rozpoznanie, zrozumienie i gruntowna analiza zagrożeń umożliwiają ocenę ryzyka wystąpienia procesów rozpadu, które mogą spowodować, że reakcja wymknie się spod kontroli.

Ocena bezpieczeństwa procesów chemicznych jest elementem kompleksowej analizy zagrożeń przeprowadzanej przy wdrażaniu do produkcji oraz w samej fazie produkcji, musi więc stanowić element kultury przedsiębiorstwa i znajdować odzwierciedlenie w jego polityce. Bezpieczeństwo procesów chemicznych zostało ujęte w wytycznych znanych pod nazwą „HSE” lub „SHE”, które zostały włączone do przepisów licznych organów regulacyjnych.

Do zapewnienia bezpieczeństwa procesów chemicznych wykorzystuje się metodologię opartą o szereg różnych technik, modeli i rozwiązań. Niezbędna jest także wiedza o pożądanych i potencjalnie niepożądanych reakcjach. Obejmuje to badanie zdarzeń termicznych, takich jak wymiana ciepła, mieszanie, wymiana masy, wydzielanie gazu, a także stabilność materiału wyjściowego, masy reakcyjnej oraz produktów końcowych.

Jak można zauważyć, w proces zapewnienia bezpieczeństwa reakcji chemicznych jest zaangażowanych szereg różnych dyscyplin.

Mówiąc krótko: aby uniknąć incydentów i wypadków na etapie pilotażowym lub produkcyjnym. Opracowywanie produktów odbywa się zazwyczaj pod dużą presją czasową, w ekstremalnie trudnych warunkach i z użyciem niewielkich ilości materiałów. Z biegiem lat procesy chemiczne stawały się coraz liczniejsze, instalacje — bardziej złożone, związki chemiczne — bardziej wymagające i toksyczne, a warunki pracy — coraz bardziej niebezpieczne. W związku z tym oraz z powodu zdarzających się wypadków instytucje regulacyjne i społeczeństwa stawały się coraz bardziej wyczulone na kwestie bezpieczeństwa i skłonne do wprowadzania nowych przepisów. Trend ten zmusił firmy do zwiększenia ogólnego bezpieczeństwa procesów chemicznych i rozwinięcia koncepcji, które pozwoliłyby opracować samoistnie bezpieczne reakcje chemiczne oraz procesy produkcyjne. Samoistnie bezpieczne procesy chemiczne pozwalają uniknąć zagrożenia zamiast je kontrolować.

Zapewnienie bezpiecznego i zgodnego z przepisami działania wymaga dogłębnego zrozumienia procesów i związanego z nimi ryzyka.

Gruntowne badania nad bezpieczeństwem procesów chemicznych nie tylko pozwalają zapobiec niekontrolowanym reakcjom, ale także uszkodzeniom i zniszczeniom instalacji, obrażeniom wśród pracowników zakładów i zanieczyszczeniu środowiska.

Celem badań nad bezpieczeństwem procesów chemicznych jest uzyskanie obrazu możliwych zagrożeń, ich bezpośredniego wpływu i następstw. W ramach tych badań analizuje się różne zagadnienia, w tym bezpieczeństwo procesów, produktów i osób oraz kwestie związane z ochroną środowiska. Aby zapewnić bezpieczeństwo produkcji chemicznej na dużą skalę, każdej z analizowanych dziedzin należy poświęcić odpowiednią uwagę i zasoby.

Wypadki i incydenty w zakładach chemicznych mogą mieć niewielkie następstwa, takie jak utrata partii lub niewielkie uszkodzenia instalacji, ale mogą też nieść z sobą bardzo poważne skutki: obrażenia i śmierć pracowników, poważne uszkodzenia i zniszczenie instalacji, katastrofy ekologiczne i ofiary wśród ludności na obszarze wokół zakładu. Ponadto poważne wypadki mocno odbijają się na reputacji firmy i powodują straty finansowe.

Wszystkie te okoliczności powodują, że inwestycja w bezpieczeństwo procesów chemicznych staje się uzasadniona.

Metodologia używana przy badaniu bezpieczeństwa procesów chemicznych obejmuje szereg technik, modeli i technologii, które umożliwiają rozpatrywanie reakcji, właściwości użytych rozpuszczalników i środków chemicznych oraz dobór właściwych parametrów procesów.

Do kontrolowania reakcji chemicznych, ich postępu i powstawania zanieczyszczeń oraz produktów ubocznych używa się zazwyczaj odpowiednio modyfikowanych parametrów, takich jak temperatura, pH, ciśnienie, prędkość dozowania, mieszanie, łączenie, typ rozpuszczalnika, katalizator i nie tylko.

Na etapie opracowywania procesów konieczne jest uwzględnienie także dodatkowych czynników, takich jak kinetyka reakcji chemicznej, maksymalne uwalnianie ciepła, akumulacja ciepła i nieprzereagowanego materiału, wymiana ciepła i masy, zmiany lepkości, zanieczyszczanie, strącanie i wydzielanie gazów.

W związku z tym analiza pożądanych i potencjalnie niepożądanych reakcji ma fundamentalne znaczenie przy pracach nad bezpieczeństwem reakcji chemicznych i wymaga odpowiednich działań.

Do analizy zjawisk termicznych w reakcjach chemicznych wykorzystuje się kalorymetrię. O ile do badania pożądanych reakcji wykorzystuje się kalorymetrię reakcyjną, to do analizowania reakcji niepożądanych zazwyczaj używana jest różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC). Reakcją drugorzędną jest często rozpad masy reakcyjnej lub składników reakcji, co w najgorszym przypadku może prowadzić do wymknięcia się procesu spod kontroli.

Kalorymetry reakcyjne  dostarczają informacje o właściwościach termicznych, takie jak profile przepływu ciepła w funkcji czasu lub dozowania, wartość maksymalnego uwalniania ciepła, zakumulowane ciepło, nagromadzenie reagentów, entalpia reakcji i współczynniki transferu ciepła. Badanie procesów z użyciem kalorymetrów reakcyjnych pozwala także odkrywać, jak na reakcję wpływa mieszanie i łączenie składników. Łącząc informacje uzyskane dzięki kalorymetrom reakcyjnym z danymi uzyskanymi poprzez selekcyjne badania termiczne (np. z użyciem DSC), badacze mogą opracowywać protokoły bezpieczeństwa, takie jak wykresy niekontrolowanej reakcji czy dane o krytyczności reakcji.

Kalorymetria reakcyjna dostarcza naukowcom wszechstronnych informacji, które pomagają zidentyfikować i usunąć krytyczne lub niepoddające się skalowaniu parametry, a dzięki temu uzyskać wysoki poziom bezpieczeństwa procesów chemicznych.

W kalorymetrii reakcyjnej procesy chemiczne bada się pod kątem wpływu parametrów reakcji i procesu na postęp reakcji, jej prędkość, uwalnianie ciepła w funkcji czasu i dozowania, maksymalne uwalnianie ciepła, wpływ energii i substancji reagujących na akumulację oraz transfery masy i ciepła.

Przeprowadza się reakcje chemiczne w warunkach zbliżonych do produkcyjnych, wyznaczając ilość uwolnionej lub pochłoniętej energii w funkcji czasu, a następnie rejestruje wyniki wraz z innymi danymi procesowymi.

Urządzenie RC1mx obsługuje różne metody pomiaru ciepła reakcji. Przykładem może być sprawdzona technika przepływu ciepła, która pozwala określić wymianę ciepła w funkcji czasu poprzez kalibrację współczynnika wymiany ciepła, czyli RTCal, która pozwala mierzyć i prezentować przepływ ciepła w trakcie procesu i w czasie rzeczywistym.

Niezależnie od zastosowanej metody specjalne algorytmy dbają, by bez względu na konfigurację reaktora i warunki eksperymentu pomiar ciepła reakcji był dokładny, udostępniają przy tym:

• warunki izotermiczne,
• warunki nieizotermiczne,
• dodawanie zimnych i gorących reagentów.

Kalorymetry reakcyjne umożliwiają dokładne badanie bezpieczeństwa procesów chemicznych i pozwalają uzyskać szczegółowe dane na temat analizowanych reakcji, w tym:

• wpływ zmiany sposobu mieszania,
• reakcje uboczne i następcze,
• zmiany pojemności cieplnej,
• parowanie i wydzielanie gazów.

Narzędzia te, wykorzystywane indywidualnie lub jako zintegrowane stanowisko chemiczne, zapewniają kluczowe wsparcie w dążeniu do poprawy bezpieczeństwa procesów chemicznych:

• Reaktory do syntezy chemicznej
  Automatyczne stanowiska syntezy umożliwiają prowadzenie nienadzorowanych eksperymentów z zachowaniem dokładnej kontroli nad warunkami reakcji oraz całodobowe gromadzenie danych z eksperymentów.
   

• Kalorymetry reakcyjne
  Te urządzenia pozwalają prowadzić badania reakcji w małej skali, identyfikować warunki niepoddające się skalowaniu, badać parametry procesów pod kątem wdrożenia do produkcji i oceniać ryzyko oraz krytyczność procesów. Bogaty wybór metod kalorymetrii reakcyjnej ułatwia opracowywanie procesów, które są bezpieczne, opłacalne i przyjazne dla środowiska.
  
  
• Spektrometry FTIR i spektrometry ramanowskie
  Stałe monitorowanie umożliwia śledzenie parametrów poszczególnych składników reakcji i tworzenie „cząsteczkowych filmów wideo” z jej przebiegu. Możliwość śledzenia i profilowania kluczowych składników reakcji w czasie rzeczywistym ułatwia badanie ich kinetyki i mechanizmów
  
  
• Oprogramowanie iC
  Dzięki oprogramowaniu iC DataCenter wyniki eksperymentów można teraz przekształcić w cenną wiedzę o procesach i łączyć w zintegrowane strumienie, które ułatwiają zrozumienie danych i zarządzanie nimi. Oprogramowanie bezpiecznie zapisuje wszystkie dane eksperymentalne, umożliwiając ich udostępnianie w całej organizacji i w ten sposób przyczyniając się do tworzenia zasobów wiedzy.

Wiele publikacji wspomina o bezpieczeństwie procesów chemicznych i związanych z nim zastosowaniach. Oto kilka pozycji:

• 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 i 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 i 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 i 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