Bezpečnost chemických procesů

Cílem bezpečnosti chemických procesů je předcházet nehodám a mimořádným událostem ve velkovýrobě chemických látek a léčiv. Zejména se zabývá prevencí nežádoucího uvolnění potenciálně nebezpečných materiálů a energie v průběhu chemické reakce do okolí v případě, že se chemická reakce vymkne kontrole.

V chemickém průmyslu vznikají mimořádné události související s bezpečností procesů z různých příčin, jako jsou například:

• chybějící informace,
• nedostatečné zaškolení obsluhy,
• technické závady,
• chyby v důsledku lidského faktoru,
• nešťastná shoda náhod.

Nejčastějšími příčinami vzniku mimořádných událostí a nehod bývají závady, lidská chyba a nedostatečné pochopení chemismu procesu a jeho parametrů.

Zjištění a pochopení nebezpečí a rizik, včetně důkladného rozboru rizik, umožňují provést posouzení rizika spuštění rozkladných reakcí a předcházet ztrátám kontroly nad průběhem reakce.

Bezpečnost chemických procesů je součástí komplexního posouzení bezpečnosti zavádění procesů do výroby a výroby samotné, a musí být proto nedílnou součástí podnikové kultury a strategie. Pokyny, které se věnují bezpečnosti chemických procesů, jsou známy též pod označením „HSE“ nebo „SHE“ a jsou součástí směrnic mnoha regulačních orgánů.

Bezpečnost chemických procesů využívá rámec různých technik, technologií a modelů a vyžaduje pochopení požadovaných a potenciálně nežádoucích reakcí, které mohou v procesu probíhat. Součástí tohoto přístupu je i zkoumání termických jevů, přenosu tepla, směšování, přenosu hmoty, vývoje plynů, jakož i stability výchozího materiálu, jeho reakční hmoty a výsledných produktů.

Zajištění bezpečnosti chemických procesů proto vyžaduje zapojení různých vědních disciplín.

Zavádění účinných opatření pro bezpečnost chemických procesů předchází mimořádným událostem a nehodám v pilotních projektech i rutinní výrobě. Vývoj výrobků probíhá zpravidla s požadavkem na splnění náročných termínů, s využitím malého množství materiálů a za extrémních podmínek. Za mnoho let vývoje se značně rozrostl počet chemických procesů, chemické podniky jsou složitější než kdy v minulosti, chemie je stále ambicióznější a toxičtější a provozní podmínky nebezpečnější. Z těchto důvodů, a také v důsledku výskytu závažných nehod, se regulační orgány i veřejnost stále častěji zabývají bezpečností. Tento vývoj nutí podniky pracovat na zvyšování obecné bezpečnosti chemických procesů a vyvíjet koncepce, které zajistí bezpečnost chemických procesů i výroby. Bezpečný návrh chemických procesů nebezpečí neřídí, spíše předchází jeho vzniku.

Zajištění bezpečného provozu ve shodě s předpisy vyžaduje zevrubné pochopení procesu a s ním souvisejících rizik.

Hloubkové studie bezpečnosti chemických procesů předcházejí situacím, ve kterých by se chemické reakce mohly vymknout kontrole, a současně předcházejí poškození či zničení podniku, poranění zaměstnanců, ztrátám na životech a/nebo poškození či znečištění životního prostředí.

Účelem takových studií je získat přehled o potenciálních nebezpečích, vlivech a jejich důsledcích. Účastní se jich disciplíny, jako jsou vývoj výrobků a procesů, školení zaměstnanců a bezpečnost životního prostředí. Všem těmto disciplínám je třeba věnovat náležitou pozornost, řádné řízení a zkoumání: pouze tak lze zajistit bezpečnou velkovýrobu chemických látek.

Bezpečnost chemických procesů využívá široký rámec různých technik, technologií a modelů, s jejichž pomocí vědci zkoumají chemickou reakci, vlastnosti použitých rozpouštědel a chemikálií a vhodné parametry procesu.

Chemické reakce, jejich průběh a vznik vedlejších produktů a nečistot se regulují zpravidla úpravou parametrů, jako jsou teplota, pH, tlak, rychlost dávkování, míchání, směšování, typ rozpouštědla, katalyzátor a jiné.

Ve vývoji procesů je kromě těchto parametrů třeba zohlednit navíc kinetiku chemických reakcí, maximální uvolňování tepla, akumulace tepla, hromadění nezreagovaného materiálu, přenos tepla a hmoty, změny viskozity, znečištění, srážení nebo uvolňování plynů.

Z hlediska bezpečnosti chemických procesů je proto nejrelevantnější hloubková analýza požadovaných a potenciálně nežádoucích reakcí.

Při zkoumání termického průběhu chemických reakcí se uplatňuje kalorimetrie. Zatímco reakční kalorimetrie slouží ke zkoumání žádoucích reakcí, diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) se používá zpravidla ke zkoumání reakcí nežádoucích. Sekundární reakce často spočívá v rozkladu reakční hmoty nebo jejích složek a v nejhorším případě může skončit až tak, že se reakce zcela vymkne kontrole.

Reakční kalorimetry poskytují termické informace, včetně profilů tepelného toku coby funkce času neboli dávkování, maximálního uvolňování tepla, akumulace tepla, hromadění reaktantů, entalpie reakce a koeficientů prostupu tepla. Zkoumání chemických procesů v reakčních kalorimetrech umožňuje vědcům též odhalit závislosti reakce na směšování a míchání. Spojení informací z reakčního kalorimetru s informacemi z termického screeningu (tj. získaných pomocí DSC) umožňuje odvození bezpečnostních protokolů, jako je například graf překotného průběhu nebo kritičnost reakce.

Komplexní informace získané z reakční kalorimetrie pomáhají vědcům identifikovat a eliminovat kritické, nerozšířitelné parametry, a tak dosáhnout vyšší úrovně bezpečnosti chemických procesů.

V reakční kalorimetrii se chemický proces zkoumá z hlediska vlivu parametrů reakce a procesu na průběh a rychlost reakce i uvolňování tepla v závislosti na čase nebo dávkování, maximálního uvolňování tepla, hromadění vlivu energie a reaktantu, přenosu hmoty a prostupu tepla.

Při spuštění chemické reakce za podmínek podobných podmínkám v procesu se měří množství uvolněné nebo absorbované energie coby funkce času a naměřené hodnoty se zaznamenají společně s ostatními daty procesu.

Přístroj RC1mx podporuje různé metody měření tepla v reakci. Mezi tyto metody se řadí například osvědčená technika tepelného toku, při které se stanovuje prostup tepla coby funkce času prostřednictvím kalibrace koeficientu prostupu tepla, nebo metoda RTCal (technika, která měří a předkládá výsledky tepelného toku on-line a v reálném čase).

Bez ohledu na použitou metodu se používají individuální algoritmy, které zajišťují přesné a precizní měření tepla z reakce, a to nezávisle na nastavení reaktoru a za všech experimentálních podmínek, jakými jsou například:

• izotermní termické podmínky,
• neizotermní termické podmínky,
• přidání studených nebo zahřátých reaktantů.

Při hloubkových studiích bezpečnosti chemických procesů se uplatňují reakční kalorimetry, které poskytují podrobné informace o zkoumané reakci, jako jsou například:

• vliv proměnlivého chování při směšování,
• vedlejší nebo po sobě jdoucí reakce,
• změna tepelných kapacit,
• odpařování nebo uvolňování plynů.

Tyto nástroje, ať v podobě jednotlivých přístrojů nebo integrované chemické stanice, poskytují důležitou podporu pro návrh bezpečnějších chemických procesů:

• Reaktory pro chemickou syntézu
  Automatické syntetické pracovní stanice umožňují bezdohledový průběh experimentů s přesným řízením podmínek reakce a automatickým záznamem dat z každého experimentu: nepřetržitě, ve dne i v noci.
   

• Reakční kalorimetry
  Screening reakcí v malém měřítku, identifikace podmínek nepřenositelných do většího měřítka, zkoumání parametrů procesu pro zavádění do výroby a posuzování rizik a kritičnosti procesů: to vše umožňují reakční kalorimetry, které tak pomáhají s vývojem bezpečných, hospodárných a ekologických procesů.
  
  
• FTIR a Ramanovy spektrometry
  Průběžné sledování umožňuje vytvářet trendy složek v průběhu času pro „molekulární video“ reakce. Sledování a profilování klíčových reakčních složek coby funkci času reakce umožňuje při použití spektrometru zkoumat kinetické a mechanistické vlastnosti reakce.
  
  
• Software iC
  Převádějte data z experimentů na důležité znalosti o procesu a integrujte přenášená data s cílem zajistit úplné pochopení procesu a bezproblémovou správu dat. Software iC DataCenter zajišťuje bezpečný záznam všech dat z experimentů a umožňuje přípravu a sdílení dat v rámci celé organizace, která tak může budovat znalostní databázi na celopodnikové úrovni.

Bezpečnosti chemických procesů a souvisejícím aplikacím se věnuje mnoho publikací. Níže uvádíme některé z nich:

• 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