تجنب مخاطر الانفجار ومخاطر التفاعلات الكيميائية

الانفجار هو زيادة سريعة في الحجم وإطلاق الطاقة بطريقة زائدة، والذي يكون مصحوبًا عادةً بتوليد درجات حرارة عالية وإطلاق الغازات. ويجب تجنب حدوث الانفجارات في  المصانع الكيميائية بأي ثمن. وهناك سببان  رئيسيان للانفجارات في أثناء العملية الكيميائية:

• عدم استقرار المادة من حيث الطاقة، وامتلاكها لخصائص متفجرة. ستحدد دراسة السلامة الشاملة للعملية ما إذا كانت المواد حساسة للصدمات والاحتكاك والحرارة وما إلى ذلك، وقد تفرض إجراءات خاصة للتعامل الآمن.
• قد تؤدي هذه العملية إلى توليد حرارة أو غاز غير متحكم فيهما، مما يؤدي إلى خروج بخار قابل للاشتعال أو زيادة الضغط في المفاعل مما يؤدي إلى تمزق المحتويات وفقدها، وقد يكون قابلاً للاشتعال.

ولتجنب خطر توليد الحرارة غير المنضبط، من الضروري دراسة العملية باستخدام كالوريمتر التفاعل من أجل تحديد حرارة التفاعل (المحتوى الحراري) ومعدل إطلاق الحرارة، بحيث يمكن تصميم عملية تقلل خطر فقد التحكم إلى أدنى درجة.

عادةً ما يشير التراكم إلى المواد التي يتم استهلاكها في أثناء تفاعل شبه دفعي لا يتفاعل فورًا.  حيث يتراكم/يترسب تركيز هذه المادة ويشكل خطرًا إذا بدأ التفاعل في العمل بمعدل أسرع، أو إذا حدث فشل في التبريد. ويمكن قياس التراكم باستخدام كالوريمتر التفاعل لتحديد معدل إنتاج الحرارة، وكيفية مقارنته بمعدل الإضافة. يمكن أيضًا استخدام التحليل في الموقع لقياس تركيز الكاشف غير المتفاعل مباشرة.

عند دراسة الأمان في العمليات، يكون من الضروري التأكد مما إذا كان هناك إنتاج للغاز وظروف هذا الإنتاج. وفي بعض الحالات، مثل  نزع الكربوكسيل المطلق لثاني أكسيد الكربون (CO₂)، يُعد هذا الأمر جزءًا واضحًا ومتوقعًا من العملية.  أما في حالات أخرى،  مثلما يحدث عند بدء حدوث الجموح في أثناء النترجة، فقد يكون إنتاج الغاز بسبب تفاعل جانبي أو تحلل غير متوقع. ويمكن أن يؤدي نشوء الغاز غير المتوقع بسرعة إلى زيادة الضغط على الجهاز، مع وجود خطر فقد الاحتواء أو حتى انفجار المصنع، مما يؤدي إلى عواقب كارثية.

ويُعد قياس نشوء الغاز جزءًا مهمًا من دراسات سلامة العمليات على ميزان المختبر، ويمكن تجهيز كالوريمتر التفاعل بسهولة باستخدام مقياس أو حساس للكشف الكمي عن وقت نشوء الغاز ومعدله بحيث يمكن إجراء الإمداد المناسب على الميزان.

عندما يتبخر السائل، فإنه يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة للانتقال من المرحلة السائلة إلى المرحلة البخارية. وهو ما يُعرف باسم الحرارة الكامنة للتبخر. وغالبًا ما تُستخدم هذه الظاهرة في أثناء تصنيع المواد الكيميائية واسعة النطاق من أجل المساعدة في إزالة الحرارة من النظام، وبالتالي تقليل التكاليف وزيادة سلامة العملية. لذلك فمن الممارسات الشائعة تشغيل جزء على الأقل من إحدى العمليات الدفعية في ظل ظروف الفيض المرتد، وذلك من أجل زيادة معدل التفاعل مع الحفاظ على أمان العملية وفعاليتها. ويتطلب تشغيل كالوريمتر التفاعل في ظل ظروف الفيض المرتد اهتمامًا خاصًا لالتقاط الحرارة المنبعثة في مكثف الفيض المرتد وضمان الحفاظ على توازن الطاقة الكامل في العملية حتى في ظل ظروف الفيض المرتد.

تقيّم هذه الورقة الأسئلة التالية حول التراكم الحراري من خلال مجموعة من دراسات الحالة العملية المستمدة من كل من المختبر والمصنع:

• لماذا ومتى يحدث التراكم الحراري؟
• هل التراكم الحراري أمر يستحق الدراسة، وما مدى أهميته؟
• ما تأثير الحساب غير الصحيح للتراكم الحراري؟

كثيرًا ما تميل التفاعلات ذاتية التحفيز إلى البطء الشديد، ثم تزداد فجأة في المعدل بسبب تكوين المركبات الحفازة أو الوسيطة. وقد يكون هذا الأمر خطيرًا للغاية على النطاق الواسع، فقد يعني الإنتاج السريع لكميات كبيرة من الحرارة لا يستطيع نظام التبريد إزالتها. ومن المهم جدًا المعرفة المسبقة لما إذا كان النظام يعرض سلوك التحفيز التلقائي، بحيث يمكن تصميم العملية بشكل صحيح. ويتيح كالوريمتر التفاعل القياس المباشر لمعدل إنتاج الحرارة، ويمكن أن يقدم التحليل في الموقع مزيدًا من المعلومات حول معدل حدوث التفاعل.

البدء هو النقطة التي يبدأ عندها التفاعل الكيميائي، وليس بالضرورة وقت خلط الكواشف. ففي بعض الحالات، لا يتم البدء إلا بعد انقضاء فترة زمنية معينة (في أثناء التحفيز الذاتي)، أو عند استهلاك المادة المثبطة، أو عند الوصول إلى درجة حرارة معينة (في أثناء التفاعل غير المتساوي في درجة الحرارة أو التحلل). لا يعني وجود فترة البدء بالضرورة أن التفاعل خطير، ولكن من المهم بطريقة حيوية أن تكون معلمات الحدث (الوقت، المدة، إلخ) مفهومة جيدًا لتجنب الظروف الخطرة. فمثلاً تخضع تفاعلات غرينيارد عادةً لتأخر البدء، ومن المهم عدم إضافة الكثير من الهاليد إلى المفاعل قبل تأكيد البدء. وإلا؛ فسيكون هناك خطر كبير لحدوث التراكم والجموح.

تعرّف على كيفية مساعدة مقياس كالوريمتر التفاعل للعلماء على فحص الظروف بسرعة وتوسيع نطاقها بأمان - دون الحاجة إلى أحجام اختبار كبيرة. وتشمل الأمثلة المقدمة ما يلي:

• الكشف عن إطلاق الحرارة في أثناء تغيير درجة الحرارة
• فهم تأثير التراكم الحراري
• فحص مشكلات قابلية التوسع على نطاق صغير
• التخلص من خطر التفاعلات الخارجة عن السيطرة 

يحدث التوقد عندما تخضع مادة صلبة، مثل وعاء المفاعل أو حاوية التخزين، لتفاعل تحلل ذاتي الاستدامة يحرر كميات كبيرة من الطاقة (الحرارة).  والتوقد عبارة عن احتراق بشكل أساسي، ولكنه قد يحدث في ظل خلو الجو من الأكسجين. ويختلف التوقد عن التفجير في المقام الأول فيما يتعلق بسرعة التفاعل، حيث يحدث التفجير بسرعة تفوق سرعة الصوت، بينما يحدث التوقد بسرعة أقل من سرعة الصوت. يجب تجنب التوقد بأي ثمن خلال العمليات الكيميائية. ينبغي أن تتضمن دراسات سلامة العمليات الكيميائية دائمًا تقييمًا لحساسية المواد للتوقد (والانفجار)، بالإضافة إلى فهم درجات الحرارة التي يمكن الوصول إليها في أثناء العملية، وخاصة في حالات اضطراب العملية أو فشل التبريد.

يعتمد نظام التسخين والتبريد في كالوريمتر التفاعل RC1 على سائل نقل الحرارة الدوار مع السرعة العالية وكمية كبيرة من الزيت المبرد مسبقًا. ففي حين تضمن السرعة العالية الاستجابة السريعة للتغيرات في درجات الحرارة، يضمن الخزان المملوء بالزيت المبرد مسبقًا حدوث التبريد الفوري في حالة حدوث طرد كبير للحرارة أو حالة طارئة. وبجانب الخوارزميات التي تضمن أعلى دقة للحساب، صُمم منظم الحرارة للاستجابة السريعة للظروف المتغيرة في المفاعل من أجل الحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة بدقة.

حيث يستخدم نظام التحكم في درجة الحرارة لجهازي كالوريمتر التفاعل EasyMax وOptiMax مفهوم التسخين الكهربائي وتقنية التبريد في الحالة الصلبة القائمة على ظاهرة بلتييه. وتتم كل من عمليتي التسخين والتبريد بسرعة فائقة بسبب تصميم منظم الحرارة المدمج، وتمكنان النظام من الوصول إلى درجات حرارة أقل بكثير من 0 درجة مئوية دون استخدام كريوستات "جهاز تبريد منخفض". و بفضل التصميم، لا يوجد سوى أدنى مستوى من متطلبات المساحة.