Undgå eksplosionsrisici og farer ved kemiske reaktioner

En eksplosion er en hurtig stigning i volumen og frigivelse af energi på en ekstrem måde, normalt med generering af høje temperaturer og frigivelse af gasser. Eksplosioner i  et kemisk anlæg skal undgås for enhver pris. Der er to primære  årsager til eksplosioner under en kemisk proces:

• Materialet er energimæssigt ustabilt og har eksplosive egenskaber. En omfattende sikkerhedsundersøgelse af processen vil identificere, om materialer er følsomme over for stød, friktion, varme osv., og kan diktere særlige procedurer for sikker håndtering.
• Processen kan føre til ukontrolleret varme- eller gasproduktion, hvilket resulterer i udslip af brændbar damp eller et overtryk af reaktoren, hvilket fører til brud og tab af indhold, som kan være brandfarligt.

For at undgå risikoen for ukontrolleret varmeudvikling er det bydende nødvendigt, at processen studeres ved hjælp af et reaktionskalorimeter for at bestemme reaktionsvarmen (entalpi) og hastigheden af varmeafgivelse, så der kan designes en proces, der minimerer risikoen for tab af kontrol.

Akkumulering refererer typisk til materiale, der doseres under en semi-batch-reaktion, som ikke reagerer med det samme, og  koncentrationen af dette materiale ophobes/akkumuleres og udgør en fare, hvis reaktionen derefter begynder at køre hurtigere, eller hvis der er et kølesvigt. Akkumulering kan måles ved hjælp af et reaktionskalorimeter til at bestemme den hastighed, hvormed varme produceres, og hvordan det kan sammenlignes med additionshastigheden. Det er også muligt at bruge in situ-analyse til direkte at måle koncentrationen af det ureagerede reagens.

Når en proces undersøges for sikkerhed, er det vigtigt at bekræfte, om der produceres gas og under hvilke omstændigheder. I nogle tilfælde, f.eks . ved frigivelse af CO₂ i decarboxylering, er dette en indlysende og forventet del af processen,  mens i andre tilfælde,  f.eks . ved begyndelsen af løb under nitrering, kan gasproduktionen skyldes en uventet bivirkning eller nedbrydning. Uventet gasudvikling kan hurtigt føre til overtryk af udstyret med risiko for tab af indeslutning eller endda sprænge anlægget med katastrofale konsekvenser.

Måling af gasudvikling er en afgørende del af processikkerhedsundersøgelser på laboratorieniveau, og reaktionskalorimeteret kan nemt udstyres med en måler eller et sensorsystem til kvantitativt at detektere tidspunktet og hastigheden af gasudviklingen, så der kan træffes passende foranstaltninger i stor skala.

Når en væske fordamper, kræver det en betydelig mængde energi at skifte fra væskefasen til dampfasen. Dette er kendt som den latente fordampningsvarme. Dette fænomen bruges ofte under storskala kemisk fremstilling for at hjælpe med at fjerne varme fra systemet og derved reducere omkostningerne og øge sikkerheden i processen. Det er således almindelig praksis at betjene i det mindste en del af en batchproces under refluksforhold for at maksimere reaktionshastigheden og samtidig opretholde en sikker og effektiv proces. Betjening af et reaktionskalorimeter under tilbageløbsforhold kræver særlig opmærksomhed for at fange den varme, der fjernes i tilbageløbskondensatoren, og for at sikre, at den komplette energibalance i processen opretholdes selv under tilbagesvalsforhold.

Denne artikel vurderer følgende spørgsmål om termisk akkumulering gennem praktiske casestudier fra både laboratoriet og anlægget:

• Hvorfor og hvornår opstår termisk akkumulering?
• Er termisk akkumulering vigtig at overveje, og hvor stor er den?
• Hvad er virkningen af en forkert beregning af termisk akkumulering?

Autokatalytiske reaktioner har en tendens til at begynde meget langsomt og derefter pludselig stige i hastighed på grund af dannelsen af katalytiske forbindelser eller mellemprodukter. Dette kan være ekstremt farligt i stor skala, da det kan betyde hurtig produktion af store mængder varme, som kølesystemet ikke er i stand til at fjerne. Det er afgørende vigtigt at vide på forhånd, om et system udviser autokatalytisk adfærd, så processen kan designes korrekt. Reaktionskalorimeteret tillader direkte måling af varmeproduktionshastigheden, og in situ-analyse kan give yderligere information om den hastighed, hvormed reaktionen finder sted.

Igangsætning er det tidspunkt, hvor den kemiske reaktion begynder, og det er ikke nødvendigvis, når reagenserne blandes. I nogle tilfælde sker initieringen først efter en vis periode (under autokatalyse), når et hæmmende materiale er blevet indtaget, eller når en vis temperatur er nået (under en ikke-isotermisk reaktion eller en nedbrydning).  Men det er af afgørende betydning, at parametrene for begivenheden (tid, varighed osv.) er velforståede for at undgå farlige forhold. For eksempel gennemgår Grignard-reaktioner typisk en forsinket initiering, og det er vigtigt ikke at tilsætte for meget halogenid til reaktoren, før initieringen er bekræftet. Ellers er der stor risiko for ophobning og løb.

Få mere at vide om, hvordan reaktionskalorimetri hjælper forskere med hurtigt at screene forhold og opskalere sikkert - uden behov for store testmængder. Eksempler omfatter:

• Registrering af varmeafgivelse under temperaturændring
• Forstå effekten af varmeakkumulering
• Screening for skalerbarhedsproblemer i lille skala
• Eliminering af risikoen for løbske reaktioner 

Deflagration opstår, når et fast materiale, såsom en reaktorbeholder eller opbevaringsbeholder, gennemgår en selvopretholdende nedbrydningsreaktion, der frigiver betydelige mængder energi (varme).  Deflagration er i bund og grund brændende, men kan forekomme i fravær af ilt fra atmosfæren. Deflagration adskiller sig fra detonation, primært med hensyn til reaktionens hastighed, med en detonation ved supersonisk hastighed og deflagration ved subsonisk hastighed. Under en kemisk proces skal deflagration undgås for enhver pris. Kemiske processikkerhedsundersøgelser bør altid omfatte en vurdering af materialets modtagelighed for deflagration (og eksplosion) samt en forståelse af, hvilke temperaturer der kan nås under processen, især i tilfælde af procesforstyrrelser eller kølesvigt.

Varme- og kølesystemet i RC1 Reaktionskalorimeteret er baseret på cirkulerende varmeoverførselsvæske med høj hastighed og en stor mængde forkølet olie. Mens den høje hastighed sikrer hurtig reaktion på temperaturændringer, garanterer reservoiret med den forkølede olie øjeblikkelig afkøling i tilfælde af en stor exotermi eller nødsituation. Sammen med de algoritmer, der sikrer den højeste præcision i beregningen, er termostaten designet til hurtigt at reagere på skiftende forhold i reaktoren for at opretholde den ønskede temperatur nøjagtigt.

Temperaturstyringssystemet i EasyMax og OptiMax Reaction Calorimeter anvender konceptet med elektrisk opvarmning og Peltier-baseret solid-state køleteknologi. Både opvarmning og køling er ekstremt hurtig på grund af det kompakte termostatdesign og gør det muligt for systemet at opnå temperaturer langt under 0 °C uden brug af en kryostat. Som et resultat af designet er pladsbehovet minimalt.