Kemisk processikkerhed

Kemisk processikkerhed fokuserer på at forebygge hændelser og ulykker under storstilet fremstilling af kemikalier og lægemidler – især utilsigtet frigivelse af potentielt farlige materialer og energi til miljøet under en kemisk reaktion eller på grund af en løbsk reaktion.

I den kemiske industri opstår processikkerhedshændelser af forskellige årsager, herunder:

• Manglende oplysninger
• utilstrækkelig operatøruddannelse
• tekniske fejl
• menneskelige fejl
• sammenkædning af uheldige tilfældigheder

Funktionsfejl, menneskelige fejl og manglende fuld forståelse af kemien, herunder alle mulige bivirkninger, af processen og dens parametre er blandt de hyppigste årsager til, at hændelser eller ulykker finder sted.

Identifikation og forståelse af farer og risici sammen med grundig risikoanalyse gør det muligt at evaluere risikoen for at udløse nedbrydning og forhindre tab af kontrol over reaktionen.

Kemisk processikkerhed er en del af en omfattende sikkerhedsvurdering for opskalering og produktion og skal derfor betragtes som en del af virksomhedskultur og -politik. Retningslinjen, som kemisk processikkerhed falder ind under, er også kendt som "HSE" eller "SHE" og er inkluderet i direktiverne fra mange tilsynsmyndigheder.

Kemisk processikkerhed bruger en ramme af forskellige teknikker, teknologier og modeller og kræver en forståelse af de ønskede og potentielt uønskede reaktioner, der er mulige under processen. Dette omfatter undersøgelse af termiske begivenheder, varmeoverførsel, blanding, masseoverførsel og gasudvikling samt stabilitet af udgangsmaterialet, reaktionsmassen og de resulterende produkter.

Således anvendes en række forskellige discipliner for at sikre kemisk processikkerhed.

Når du skaber fremstillingsmetoder, er det afgørende at have detaljer om processen, sikkerheden af råvarer, mellemprodukter og det endelige produkt. Disse oplysninger er afgørende for, at forskere kan bestemme den bedste måde at udføre reaktioner på og forstå processen grundigt. Processikkerhedsvejledningen adresserer de vigtigste forhindringer, du skal huske på, når du designer en sikker proces.

Implementeringen af effektive kemiske processikkerhedsforanstaltninger forhindrer hændelser og ulykker i pilot- eller produktionsskala. Typisk udvikles produkter under udfordrende tidslinjer med små mængder materiale og under ekstreme forhold. I årenes løb er kemiske processer blevet flere, planter mere komplekse, kemi mere ambitiøs og mere giftig, og driftsforholdene farligere. Af disse grunde og på grund af forekomsten af alvorlige ulykker er tilsynsmyndighederne og samfundet som helhed blevet mere sikkerhedsbevidste. Disse tendenser har tvunget virksomheder til at forbedre den generelle kemiske processikkerhed og udvikle koncepter, der sikrer iboende sikre kemiske processer og fremstilling. Et iboende sikkert design forhindrer kemiske farer i stedet for at kontrollere dem.

For at sikre sikker og kompatibel drift skal en proces og dens risici forstås tydeligt.

Grundige kemiske processikkerhedsundersøgelser forhindrer ikke kun løbske reaktioner, men også planteskader eller -ødelæggelser, personskade eller tab af menneskeliv og/eller miljøforringelse eller forurening.

Formålet med sådanne undersøgelser er at få et overblik over alle potentielle farer, virkninger og konsekvenser. Det omfatter discipliner som produkt- og proces-, personlig og miljømæssig sikkerhed. Der skal gives passende opmærksomhed, styring og undersøgelse til hver af de ovennævnte discipliner for at sikre sikker fremstilling af kemikalier i stor skala.

Kemisk processikkerhed bruger en ramme af forskellige teknikker, teknologier og modeller, hvor forskere undersøger den kemiske reaktion, egenskaberne af de anvendte opløsningsmidler og kemikalier og passende procesparametre.

Kemiske reaktioner, deres fremskridt og dannelsen af biprodukter og urenheder styres normalt ved manipulation af parametre som temperatur, pH, tryk, doseringshastigheder, omrøring, blanding, opløsningsmiddeltype, katalysator osv.

Ved procesudvikling skal der også tages hensyn til yderligere parametre, såsom kemisk reaktionskinetik, maksimal varmeafgivelse, akkumulering af varme og ureageret materiale, varme- og masseoverførsel, viskositetsændringer, tilsmudsning, nedbør eller gasudvikling.

Derfor er analyse af den eller de ønskede og potentielt uønskede reaktioner mest relevant for kemisk processikkerhed og er genstand for grundig undersøgelse.

Kalorimetri bruges til at analysere den termiske opførsel af kemiske reaktioner. Mens reaktionskalorimetri anvendes til at undersøge den ønskede reaktion, bruges differentiel scanningskalorimetri (DSC) typisk til at studere den uønskede reaktion. Den sekundære reaktion er ofte en nedbrydning af reaktionsmassen eller komponenter deri, der i værste fald fører til en løbsk reaktion.

Reaktionskalorimetre giver termisk information, herunder varmeflowprofiler som funktion af tid eller dosering, maksimal varmeafgivelse, termisk akkumulering, akkumulering af reaktanter, reaktionsentalpi og varmeoverførselskoefficienter. Undersøgelser af kemiske processer i reaktionskalorimetre gør det også muligt for forskere at afdække afhængigheder af reaktionen på omrøring og blanding. Kombinationen af information fra et reaktionskalorimeter med information indsamlet ved termisk screening (f.eks. med DSC) gør det muligt at udlede sikkerhedsprotokoller, såsom den løbske graf eller kritikaliteten af en reaktion.

Den omfattende information opnået fra reaktionskalorimetri hjælper forskere med at identificere og eliminere kritiske eller ikke-skalerbare parametre og dermed opnå et højt niveau af kemisk processikkerhed.

I reaktionskalorimetri studeres en kemisk proces med hensyn til reaktions- og procesparametres indflydelse på forløbet, reaktionshastighed, varmeafgivelse afhængig af tid eller dosering, maksimal varmeafgivelse, akkumuleringspåvirkning af energi og reaktant eller masse og varmeoverførsel.

Når der køres en kemisk reaktion under proceslignende forhold, bestemmes mængden af energi, der frigives eller absorberes, som en funktion af tiden og registreres sammen med andre procesdata.

RC1mx understøtter forskellige metoder til at måle varmen i en reaktion. Disse omfatter for eksempel den gennemprøvede varmestrømsteknik, hvor varmeoverførselsadfærd som funktion af tid bestemmes ved kalibrering af varmeoverførselskoefficienten eller RTCal (en teknik, der måler og præsenterer varmestrømmen online og i realtid).

Uafhængigt af den anvendte metode sikrer brugerdefinerede algoritmer, at reaktionsvarmen måles nøjagtigt og præcist – uafhængigt af reaktoropsætningen og under alle eksperimentelle forhold, herunder

• Isotermiske temperaturforhold
• Ikke-isotermiske temperaturforhold
• Tilsætning af kolde og varme reaktanter

Til grundige kemiske processikkerhedsundersøgelser bruges reaktionskalorimetre til at få detaljer om den undersøgte reaktion, herunder:

• Indflydelse af ændret blandingsadfærd
• Bivirkninger eller på hinanden følgende reaktioner
• Ændring af varmekapaciteter
• Fordampning eller gasudvikling

Individuelt eller som en integreret kemisk arbejdsstation giver disse værktøjer vigtig støtte til bedre kemisk processikkerhed:

• Kemisk syntese reaktorer
  Automatiserede syntesearbejdsstationer muliggør uovervågede eksperimenter med præcis kontrol af reaktionsbetingelser og data indsamlet fra hvert eksperiment, dag og nat.
   

• Reaktion kalorimetre
  Screening af reaktioner i lille skala, identifikation af ikke-skalerbare forhold, udforskning af procesparametre for opskalering og vurdering af risici og kritikalitet af processer er alle muliggjort af reaktionskalorimetre, der understøtter udviklingen af sikre, økonomiske og økologiske processer.
  
  
• FTIR og Raman spektrometre
  Kontinuerlig overvågning giver brugerne mulighed for at trende komponenter over tid til en 'molekylær video' af reaktionen. Realtidssporing og profilering af nøglereaktionsarter som en funktion af reaktionstiden muliggjort af spektrometre hjælper kinetiske og mekanistiske undersøgelser.
  
  
• iC-software
  Omdan eksperimentelle data til vigtig procesviden, og integrer datastrømme for omfattende forståelse og datastyring. iC DataCenter fanger alle eksperimentelle data sikkert og gør det muligt at forberede og dele data på tværs af en organisation for at hjælpe med at opbygge institutionel viden.

Brug Dynochem-modellering til at sikre effektiv blanding og varmeoverførsel ved opskaleringsreaktioner. Dynochem gør det nemt hurtigt at sammenligne laboratorie-, pilot- og produktionsreaktorer og finde de passende blandingsparametre for sikkert at fremskynde reaktor-til-reaktor-procesoverførsel. Med data fra reaktionskalorimetri og Dynochem-modellering kan du hurtigt sikre kemisk processikkerhed og ydeevne på tværs af skalaer.

Kemisk processikkerhed og relaterede anvendelser omtales i mange publikationer. Nedenfor er nogle højdepunkter:

• Thirumalai Lakshminarasimhan, Forudsigelse af 24 og 8 timers adiabatisk nedbrydningstemperatur for lavtemperaturreaktioner ved kinetisk tilpasning af ikke-isotermiske varmedata fra reaktionskalorimeter, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 315-320
• Kamala Jyotsna G, Srikanth S, Ratnaparkhi V, et al. Reaktionskalorimetri som et værktøj til termisk risikovurdering og forbedring af sikre skalerbare kemiske processer. Inorg Chem Ind J. 2017; 12(1):110
  
• Darja Pecar og Andreja Gorsek, Saponification Reaction System: A Detailed Mass Transfer Coefficient Deefficient Determination, Acta Chim. Slov. 2015, 62, 237–241
  
• Christopher W. Mitchell, Josiah D. Strawser, Alex Gottlieb, Michael H. Millonig, Frederick A. Hicks og Charles D. Papageorgiou, Udvikling af en modelleringsbaseret strategi for sikker og effektiv opskalering af højenergiske hydrogeneringsreaktioner, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828-1835
  
• Min Hua, Min Qi, Xuhai Pan, Wendi Yu, Lu Zhang og Juncheng Jianga, iboende sikrere design til syntese af 3-methylpyridin-N-oxid, processikkerhedsfremskridt, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/prs.11952
  
• Alexandre M. Monteiro, Roy C. Flanagan, Processikkerhedsovervejelser for brug af 1 m borantetrahydrofurankompleks under generelle anlægsforhold, Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 241-246
  
• Jingyao Wang, Yanyan Huang, Benjamin A. Wilhite, Maria Papadaki, M. Sam Mannan, Mod identifikation af intensiverede reaktionsbetingelser ved hjælp af responsoverflademetodologi: Et casestudie om 3-methylpyridin N-oxidsyntese, industriel og teknisk kemiforskning 2019 58 (15), 6093-6104