หลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากการระเบิดและอันตรายจากปฏิกิริยาเคมี

การระเบิดคือการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของปริมาตรและการปลดปล่อยพลังงานในลักษณะที่รุนแรงโดยปกติจะเกิดความร้อนสูงและการปล่อยก๊าซ จําเป็นต้องหลีกเลี่ยงการระเบิดใน โรงงานเคมีในทุกกรณี มีสาเหตุหลักสอง ประการของการระเบิดระหว่างกระบวนการทางเคมี:

• วัสดุไม่เสถียรและมีพลังงานและมีคุณสมบัติระเบิด การศึกษาความปลอดภัยที่ครอบคลุมของกระบวนการจะระบุว่าวัสดุมีความไวต่อการกระแทก แรงเสียดทาน ความร้อน ฯลฯ หรือไม่ และอาจกําหนดขั้นตอนพิเศษสําหรับการจัดการอย่างปลอดภัย
• กระบวนการนี้อาจนําไปสู่การสร้างความร้อนหรือก๊าซที่ไม่สามารถควบคุมได้ ซึ่งส่งผลให้ไอระเหยไวไฟหลบหนี หรือเครื่องปฏิกรณ์ที่มีแรงดันมากเกินไปซึ่งนําไปสู่การแตกและการสูญเสียเนื้อหา ซึ่งอาจติดไฟได้

เพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของการสร้างความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้จําเป็นต้องศึกษากระบวนการโดยใช้เครื่องวัดปริมาณความร้อนของปฏิกิริยาเพื่อกําหนดความร้อนของปฏิกิริยา (เอนทาลปี) และอัตราการปล่อยความร้อนเพื่อให้สามารถออกแบบกระบวนการที่ลดความเสี่ยงของการสูญเสียการควบคุม

การสะสมโดยทั่วไปหมายถึงวัสดุที่เติมในระหว่างปฏิกิริยากึ่งแบทช์ซึ่งไม่ทําปฏิกิริยาทันที ความ เข้มข้นของวัสดุนี้จะก่อตัว/สะสมและก่อให้เกิดอันตรายหากปฏิกิริยาเริ่มทํางานในอัตราที่เร็วขึ้น หรือหากมีความล้มเหลวในการทําความเย็น การสะสมสามารถวัดได้โดยใช้เครื่องวัดความร้อนปฏิกิริยาเพื่อกําหนดอัตราการผลิตความร้อน และเปรียบเทียบกับอัตราการเติม นอกจากนี้ยังสามารถใช้การวิเคราะห์ ในแหล่งกําเนิด เพื่อวัดความเข้มข้นของรีเอเจนต์ที่ไม่ทําปฏิกิริยาได้โดยตรง

เมื่อมีการศึกษากระบวนการเพื่อความปลอดภัย จําเป็นต้องยืนยันว่ามีการผลิตก๊าซหรือไม่ และภายใต้สถานการณ์ใด ในบางกรณี เช่น การ ดีคาร์บอกซิเลชันที่ปล่อย CO₂ นี่เป็น ส่วนที่ชัดเจนและคาดหวังของกระบวนการ ในกรณี อื่นๆ  เช่น เมื่อเริ่มมีการหลบหนีระหว่างการไนเตรต การผลิตก๊าซอาจเกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงหรือการสลายตัวที่ไม่คาดคิด วิวัฒนาการของก๊าซที่ไม่คาดคิดสามารถนําไปสู่แรงดันสูงเกินไปของอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว โดยมีความเสี่ยงที่จะสูญเสียการกักกันหรือแม้กระทั่งทําให้โรงงานแตก ซึ่งส่งผลร้ายแรง

การวัดวิวัฒนาการของก๊าซเป็นส่วนสําคัญของการตรวจสอบความปลอดภัยของกระบวนการในระดับห้องปฏิบัติการ และเครื่องวัดปริมาณความร้อนของปฏิกิริยาสามารถติดตั้งเครื่องวัดหรือระบบเซ็นเซอร์เพื่อตรวจจับเวลาและอัตราการวิวัฒนาการของก๊าซในเชิงปริมาณ เพื่อให้สามารถจัดเตรียมที่เหมาะสมได้ในขนาด

เมื่อของเหลวระเหยต้องใช้พลังงานจํานวนมากในการเปลี่ยนจากเฟสของเหลวเป็นเฟสไอ สิ่งนี้เรียกว่าความร้อนแฝงของการระเหย ปรากฏการณ์นี้มักใช้ในการผลิตสารเคมีขนาดใหญ่เพื่อช่วยขจัดความร้อนออกจากระบบ และด้วยเหตุนี้จึงช่วยลดต้นทุนและเพิ่มความปลอดภัยของกระบวนการ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะดําเนินการอย่างน้อยบางส่วนของกระบวนการแบทช์ภายใต้สภาวะของกรดไหลย้อนเพื่อเพิ่มอัตราปฏิกิริยาสูงสุดในขณะที่รักษากระบวนการที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ การทํางานของเครื่องวัดปริมาณความร้อนปฏิกิริยาภายใต้สภาวะกรดไหลย้อนต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษในการดักจับความร้อนที่นําออกไปในคอนเดนเซอร์กรดไหลย้อนและเพื่อให้แน่ใจว่าความสมดุลของพลังงานที่สมบูรณ์ของกระบวนการจะคงอยู่แม้ในสภาวะกรดไหลย้อน

บทความนี้ประเมินคําถามต่อไปนี้เกี่ยวกับการสะสมความร้อนผ่านกรณีศึกษาเชิงปฏิบัติจากทั้งห้องปฏิบัติการและโรงงาน:

• เหตุใดการสะสมความร้อนจึงเกิดขึ้นและเมื่อใด
• การสะสมความร้อนมีความสําคัญหรือไม่ที่ต้องพิจารณา และใหญ่แค่ไหน?
• ผลกระทบของการคํานวณการสะสมความร้อนที่ไม่ถูกต้องคืออะไร?

ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติมีแนวโน้มที่จะเริ่มต้นช้ามากจากนั้นอัตราที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันเนื่องจากการก่อตัวของสารเร่งปฏิกิริยาหรือตัวกลาง สิ่งนี้อาจเป็นอันตรายอย่างยิ่งในวงกว้าง เนื่องจากอาจหมายถึงการผลิตความร้อนจํานวนมากอย่างรวดเร็วซึ่งระบบทําความเย็นไม่สามารถกําจัดได้ เป็นสิ่งสําคัญอย่างยิ่งที่จะต้องทราบล่วงหน้าว่าระบบแสดงพฤติกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติหรือไม่ เพื่อให้สามารถออกแบบกระบวนการได้อย่างเหมาะสม เครื่องวัดปริมาณความร้อนของปฏิกิริยาช่วยให้สามารถวัดอัตราการผลิตความร้อนได้โดยตรง และการวิเคราะห์ ในแหล่งกําเนิด สามารถให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับอัตราที่เกิดปฏิกิริยาได้

การเริ่มต้นคือจุดที่ปฏิกิริยาเคมีเริ่มต้นขึ้นและไม่จําเป็นต้องเป็นเมื่อผสมรีเอเจนต์ ใน บางกรณีการเริ่มต้นจะเกิดขึ้นหลังจากผ่านช่วงเวลาหนึ่งไปแล้วเท่านั้น (ระหว่างการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ) เมื่อมีการบริโภควัสดุยับยั้งหรือเมื่อถึงอุณหภูมิที่กําหนด (ระหว่างปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ไอโซเทอร์มอลหรือการสลายตัว) การ มีอยู่ของระยะเวลาเริ่มต้นไม่ได้หมายความว่าปฏิกิริยานั้นเป็นอันตรายเสมอไป แต่เป็นสิ่งสําคัญอย่างยิ่งที่พารามิเตอร์ของเหตุการณ์ (เวลา ระยะเวลา ฯลฯ) จะต้องเข้าใจเป็นอย่างดีเพื่อหลีกเลี่ยงสภาวะที่เป็นอันตราย ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาของ Grignard มักจะมีการเริ่มต้นล่าช้า และสิ่งสําคัญคืออย่าเติมฮาไลด์ลงในเครื่องปฏิกรณ์มากเกินไปก่อนที่จะได้รับการยืนยันการเริ่มต้น มิฉะนั้นจะมีความเสี่ยงสูงที่จะสะสมและหลบหนี

เรียนรู้ว่าการวัดปริมาณความร้อนของปฏิกิริยาช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคัดกรองสภาวะได้อย่างรวดเร็วและขยายขนาดได้อย่างปลอดภัยโดยไม่จําเป็นต้องมีการทดสอบจํานวนมาก ตัวอย่างที่นําเสนอ ได้แก่ :

• การตรวจจับการปล่อยความร้อนขณะเปลี่ยนอุณหภูมิ
• ทําความเข้าใจผลกระทบของการสะสมความร้อน
• การคัดกรองปัญหาความสามารถในการปรับขนาดในระดับเล็ก
• ขจัดความเสี่ยงของปฏิกิริยาที่ หลบหนี

การระเบิดเกิดขึ้นเมื่อวัสดุที่เป็นของแข็ง เช่น ภาชนะปฏิกรณ์หรือภาชนะเก็บ ผ่านปฏิกิริยาการสลายตัวที่ยั่งยืนซึ่งปลดปล่อยพลังงาน (ความร้อน) จํานวนมาก  การระเบิดเป็นการเผาไหม้เป็นหลัก แต่สามารถเกิดขึ้นได้ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนจากชั้นบรรยากาศ การระเบิดแตกต่างจากการระเบิดโดยหลักแล้วในแง่ของความเร็วของปฏิกิริยาโดยมีการระเบิดที่เกิดขึ้นที่ความเร็วเหนือเสียงและการระเบิดที่ความเร็วย่อย ในระหว่างกระบวนการทางเคมี จําเป็นต้องหลีกเลี่ยงการเกิดไฟไหม้ในทุกกรณี การศึกษาความปลอดภัยของกระบวนการทางเคมี ควรรวมถึงการประเมินความอ่อนไหวของวัสดุต่อการระเบิด (และการระเบิด) ตลอดจนความเข้าใจว่าอุณหภูมิใดที่สามารถเข้าถึงได้ในระหว่างกระบวนการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่กระบวนการผิดหวังหรือความล้มเหลวในการทําความเย็น

ระบบทําความร้อนและความเย็นของเครื่องวัดความร้อนปฏิกิริยา RC1 ใช้ของเหลวถ่ายเทความร้อนหมุนเวียนด้วยความเร็วสูงและน้ํามันที่ระบายความร้อนล่วงหน้าจํานวนมาก แม้ว่าความเร็วสูงจะช่วยให้ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็ว แต่อ่างเก็บน้ําที่มีน้ํามันที่ระบายความร้อนไว้ล่วงหน้ารับประกันการระบายความร้อนทันทีในกรณีที่เกิดความร้อนสูงหรือเหตุฉุกเฉิน นอกเหนือจากอัลกอริทึมที่รับประกันความแม่นยําสูงสุดของการคํานวณแล้วเทอร์โมสตัทยังได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองต่อสภาวะที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อรักษาอุณหภูมิที่ต้องการได้อย่างแม่นยํา

ระบบควบคุมอุณหภูมิของเครื่องวัดความร้อนปฏิกิริยา EasyMax และ OptiMax ใช้แนวคิดของการทําความร้อนด้วยไฟฟ้าและเทคโนโลยีการทําความเย็นแบบโซลิดสเตตที่ใช้ Peltier ทั้งการทําความร้อนและความเย็นนั้นรวดเร็วมากเนื่องจากการออกแบบเทอร์โมสตัทขนาดกะทัดรัด และช่วยให้ระบบมีอุณหภูมิต่ํากว่า 0 °C โดยไม่ต้องใช้เครื่องแช่แข็ง อันเป็นผลมาจากการออกแบบความต้องการพื้นที่จึงน้อยที่สุด