化工安全: 製程開發與放大技術

化工安全著重於避免在大規模製造化學品和藥品時，發生事故及意外，特別是因失控反應 (或在化學反應的過程中)，將可能具危險性的物質和能量意外釋放到環境中。

在化工產業裡，程序安全性事件的起因不盡相同，包括：

• 遺漏資訊
• 操作員訓練不足
• 技術缺陷
• 人為疏失
• 發生一連串不幸的巧合

故障、人為疏失，以及未完全瞭解程序及其參數的化學性質 (包括程序和其參數所有可能的副反應)，是發生事故或意外最常見的幾個理由。

辨別與瞭解危險和風險，並搭配徹底的風險分析，能評估觸發分解作用的風險，並避免失去對反應的控制。

化工安全是針對規模升級和製造進行完整安全評估時的一部分，因此必須被視為公司文化與政策的一部分。 化工安全隸屬於 "HSE" 準則，或稱 "SHE"，許多監管機關的指令中都包含了這項準則。

化工安全以各種技巧、科技和模型作為架構，而且，瞭解程序期間可能發生之潛在不當反應和想要的反應，是程序安全無虞的條件。 這包括調查熱事件、傳熱、混合、質傳和氣體散展，以及初原料的穩定性、反應質量和產生的產物。

因此，採用了相當多的學科領域來確保化工程序的安全。

實行有效的化工安全措施，能在試驗規模或製造規模下避免發生事故和意外。 通常，產品都是在難以達成的時限內，在極端的條件下使用少量的材料開發而成。 多年來，化工程序的數目變多了、廠房變得更複雜、化學性質變得更艱鉅 且毒性更高，操作條件也變得更危險。 基於這些理由，以及過去的一些嚴重意外，監管機關和整個社會的安全意識抬頭。 這些趨勢迫使公司企業提高化工程序的普遍安全性，並發展出一些概念，確保化工程序及製造活動本質上安全無虞。 本質安全型設計能避免化學危害發生，而非控制這些危害。

要確保作業安全無虞且符合規範，必須清楚瞭解程序及其風險。

進行透徹的化工安全研究，除了能避免發生失控反應，也能避免廠房蒙受損失或受到毀壞、人員的傷亡，和/或環境惡化或污染。

這種研究的目的是對所有可能的危險、影響和後果，有概略的瞭解。 其包含產品與程序、個人安全和環境安全等學科領域。 必須適當留意、管理並調查上述這些學科領域，才能確保安全地大規模製造化學品。

化工安全以各種技術、科技和模型作為架構，其中，科學家會調查化學反應、所用溶劑和化學品的屬性，以及適合的程序參數。

化學反應及其進程，以及副產品和雜質的形成，通常都是藉由操作一些參數來控制，像是溫度、酸鹼值、壓力、分裝率、攪拌、混合、溶劑類型、催化劑等等。

在程序開發方面也必須考慮其他參數，例如化學反應動力學、 最大放熱、熱累積與未反應材料的累積、熱傳和質傳、黏性變化、污垢、沈澱或氣體散展。

因此，化工程序要安全無虞，最相關的活動是分析想要的反應和可能不當的反應，這種分析也常經過透徹的調查。

熱卡計用於分析化學反應的熱行為。 反應量熱法用於調查想要的反應，差示掃描量熱法 (DSC)  則通常用於研究不當的反應。 次要反應通常是反應質量或當中的成份出現分解，導致發生失控反應，這是最糟的情況。

反應量熱儀 提供許多 熱資訊，包括隨時間或分裝而變化的熱流概況、最大放熱、熱累積、反應物的累積、反應焓和熱傳係數。 在反應量熱儀中調查化工程序，也能讓科學家揭露反應對攪拌和混合的依賴度。 結合量熱儀反應的資訊，和熱篩檢收集到的資訊 (例如利用 DSC 進行熱篩檢)，可衍生出安全協定，像是失控圖或是反應的關鍵性。

從反應量熱法得到的綜合資訊，能協助科學家找出並消除關鍵或無法擴展的參數，讓化工程序達到高安全性。

在反應量熱法中， 化工程序的研究，涉及反應和程序參數對進程的影響、反應率、依時間或分裝而定的放熱情形、最大放熱、能量和反應物的累積影響，或是質傳與熱傳。

在類程序條件下執行化學反應時，會判定釋放或吸收多少能量，此量隨時間而變化，並將和其他程序資料一同記錄下來。

Rc1mx  支援以各種不同的方法測量反應熱。 例如，這包括 RTCal，這是一種經過驗證、能在線上即時測量和呈現熱流的熱流技巧，其中，隨時間變化的熱傳行為，會透過校準熱傳係數來判定。

自訂的演算法不受採用的方法所影響，能確保獨立於反應器設定之外，在所有實驗條件下準確且精準地測量反應熱，包括：

• 恆溫條件
• 非恆溫條件
• 添加冷和熱反應物

為了進行透徹的化工安全研究，使用了反應量熱儀來取得被調查反應的詳細資訊，包括：

• 改變混合行為的影響
• 副反應或連續反應
• 改變熱容量
• 蒸發或氣體散展

無論是個別使用或作為整合式化學工作站，這些工具能為改善化工程序安全提供重要的支援：

• 化學合成反應器
  自動化合成工作站能日以繼夜地精準控制反應條件，以及從每個實驗中收集的資料，即使未在旁監看也能進行實驗。
  
  

• 反應量熱儀
  反應量熱儀能讓人以小規模方式篩檢反應、辨別無法擴展的條件、為規模升級探索程序參數，並評估程序的風險及關鍵性，協助開發安全、經濟的生態程序。
  
  
• 傅立葉轉換紅外線光譜儀和 Raman 光譜儀
  連續監控能力，可讓使用者逐漸找出成份的趨勢，得到反應的「分子影片」。 光譜儀讓人能即時追蹤和剖析隨反應時間變化的關鍵反應物種，這對動力和機械性調查有所幫助。
  
  
• iC 軟體
  將實驗資料轉換成重要的程序知識，並整合資料流，讓人獲得通盤的瞭解並進行資料管理。iC DataCenter 安全地擷取所有實驗資料，並讓人能準備資料並在整個組織內分享該資料，協助累積機構知識。

許多出版品都提到化工安全及相關的應用。 以下列出幾個重點：

• 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, 1828−1835
  
  
• 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. 2014, 18, 1828−1835
  
  
• 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