Vyhněte se rizikům výbuchu a nebezpečím chemických reakcí

Výbuch je rychlé zvýšení objemu a uvolnění energie extrémním způsobem, obvykle s vytvářením vysokých teplot a uvolňováním plynů. Výbuchům v  chemickém závodě je třeba za každou cenu zabránit. Existují dvě hlavní  příčiny výbuchů během chemického procesu:

• Materiál je energeticky nestabilní a má výbušné vlastnosti. Komplexní bezpečnostní studie procesu určí, zda jsou materiály citlivé na nárazy, tření, teplo atd., a může diktovat speciální postupy pro bezpečnou manipulaci.
• Tento proces by mohl vést k nekontrolované tvorbě tepla nebo plynu, což by mělo za následek únik hořlavých par nebo nadměrné natlakování reaktoru, což by vedlo k prasknutí a ztrátě obsahu, který může být hořlavý.

Aby se předešlo riziku nekontrolované tvorby tepla, je nezbytné, aby byl proces studován pomocí reakčního kalorimetru, aby se určilo reakční teplo (entalpie) a rychlost uvolňování tepla, aby bylo možné navrhnout proces, který minimalizuje riziko ztráty kontroly.

Akumulace se obvykle týká materiálu, který je dávkován během polodávkové reakce, která nereaguje okamžitě.  Koncentrace tohoto materiálu se hromadí/hromadí a představuje nebezpečí, pokud reakce začne probíhat rychleji nebo pokud dojde k selhání chlazení. Akumulaci lze měřit pomocí reakčního kalorimetru k určení rychlosti, jakou se teplo vyrábí, a jak se to srovnává s rychlostí přidávání. Je také možné použít analýzu in situ k přímému měření koncentrace nezreagovaného činidla.

Když je proces studován z hlediska bezpečnosti, je nezbytné potvrdit, zda je plyn produkován a za jakých okolností. V některých případech, jako je dekarboxylace uvolňující_CO2, je to zřejmá a očekávaná součást procesu.  V jiných případech,  například na začátku úniku během nitrace, může být produkce plynu způsobena neočekávanou vedlejší reakcí nebo rozkladem. Neočekávaný vývoj plynu může rychle vést k přetlakování zařízení s rizikem ztráty kontejnmentu nebo dokonce k prasknutí zařízení, což má katastrofální následky.

Měření vývoje plynů je klíčovou součástí vyšetřování bezpečnosti procesů v laboratorním měřítku a reakční kalorimetr může být snadno vybaven měřicím nebo senzorovým systémem pro kvantitativní detekci času a rychlosti vývoje plynu, aby bylo možné provést vhodná opatření ve velkém měřítku.

Když se kapalina odpaří, vyžaduje značné množství energie k přechodu z kapalné fáze do plynné fáze. To je známé jako latentní teplo odpařování. Tento jev se často používá při rozsáhlé chemické výrobě, aby pomohl odvádět teplo ze systému, a tím snížit náklady a zvýšit bezpečnost procesu. Je proto běžnou praxí provozovat alespoň část dávkového procesu za podmínek zpětného toku, aby se maximalizovala rychlost reakce při zachování bezpečného a efektivního procesu. Provoz reakčního kalorimetru za podmínek zpětného toku vyžaduje zvláštní pozornost zachycení tepla, které je odváděno ve zpětném kondenzátoru, a zajištění toho, aby byla zachována úplná energetická bilance procesu i za podmínek zpětného toku.

Tento článek hodnotí následující otázky týkající se tepelné akumulace prostřednictvím praktických případových studií z laboratoře i závodu:

• Proč a kdy dochází k tepelné akumulaci?
• Je důležité vzít v úvahu tepelnou akumulaci a jak je velká?
• Jaký je dopad nesprávného výpočtu tepelné akumulace?

Autokatalytické reakce mají tendenci začínat velmi pomalu a poté náhle zvýšit rychlost v důsledku tvorby katalytických sloučenin nebo meziproduktů. To může být ve velkém měřítku extrémně nebezpečné, protože to může znamenat rychlou produkci velkého množství tepla, které chladicí systém není schopen odvést. Je kriticky důležité vědět předem, zda systém vykazuje autokatalytické chování, aby mohl být proces správně navržen. Reakční kalorimetr umožňuje přímé měření rychlosti produkce tepla a analýza in situ může poskytnout další informace o rychlosti, s jakou reakce probíhá.

Iniciace je bod, ve kterém chemická reakce začíná, a nemusí to být nutně okamžik, kdy jsou činidla smíchána. V některých případech dochází k iniciaci až po uplynutí určité doby (během autokatalýzy), po spotřebě inhibičního materiálu nebo po dosažení určité teploty (během neizotermické reakce nebo rozkladu). Existence iniciační doby nemusí nutně znamenat, že reakce je nebezpečná, Je však životně důležité, aby parametry události (čas, trvání atd.) byly dobře pochopeny, aby se předešlo nebezpečným podmínkám. Například Grignardovy reakce obvykle procházejí opožděnou iniciací a je důležité nepřidávat do reaktoru příliš mnoho halogenidu před potvrzením iniciace. V opačném případě hrozí vysoké riziko akumulace a útěku.

Zjistěte, jak reakční kalorimetrie pomáhá vědcům rychle prověřit podmínky a bezpečně provést přechod na vyšší úroveň – bez nutnosti velkých testovacích objemů. Mezi uvedené příklady patří:

• Detekce uvolňování tepla při změně teploty
• Pochopení vlivu akumulace tepla
• Prověřování problémů se škálovatelností v malém měřítku
• Eliminace rizika nekontrolovatelných reakcí 

K deflagraci dochází, když pevný materiál, jako je reaktorová nádoba nebo skladovací nádoba, projde samoudržovací rozkladnou reakcí, která uvolní značné množství energie (tepla).  Deflagrace je v podstatě hořící, ale může k ní dojít i v nepřítomnosti kyslíku z atmosféry. Deflagrace se od detonace liší především rychlostí reakce, kdy k detonaci dochází při nadzvukové rychlosti a k deflagraci při podzvukové rychlosti. Během chemického procesu je třeba za každou cenu zabránit deflagraci. Studie bezpečnosti chemických procesů by měly vždy zahrnovat posouzení náchylnosti materiálu k deflagraci (a výbuchu), jakož i pochopení toho, jakých teplot by mohlo být během procesu dosaženo, zejména v případech narušení procesu nebo selhání chlazení.

Systém ohřevu a chlazení reakčního kalorimetru RC1 je založen na cirkulující teplonosné kapalině s vysokou rychlostí a velkým množstvím předchlazeného oleje. Zatímco vysoká rychlost zajišťuje rychlou odezvu na změny teploty, zásobník s předchlazeným olejem zaručuje okamžité chlazení v případě velkého exotermu nebo havárie. Spolu s algoritmy, které zajišťují nejvyšší přesnost výpočtu, je termostat navržen tak, aby rychle reagoval na měnící se podmínky v reaktoru a přesně udržoval požadovanou teplotu.

Systém regulace teploty reakčního kalorimetru EasyMax a OptiMax využívá koncepci elektrického ohřevu a technologii polovodičového chlazení založenou na Peltierově článku. Ohřev i chlazení jsou extrémně rychlé díky kompaktní konstrukci termostatu a umožňují systému dosáhnout teplot hluboko pod 0 °C bez použití kryostatu. Výsledkem návrhu jsou minimální nároky na prostor.