Chemische Prozesssicherheit | Techniken, Ausrüstung

Sichere chemische Prozesse

Behalten Sie die Kontrolle über chemische Prozesse

Wichtigkeit der chemischen Prozesssicherheit
Techniken zur Untersuchung der chemischen Prozesssicherheit
Reaktionskalorimetrie in der chemischen Prozesssicherheit
Technologie für chemische Prozesssicherheit

Applikationen

Chemische Prozessentwicklung und Scale-up
Design robuster und nachhaltiger chemischer Prozesse für einen beschleunigten Transfer auf Pilotanlagen und in die Produktion

Design robuster und nachhaltiger chemischer Prozesse für den beschleunigten Transfer auf Pilotanlagen und die Produktionsebene

Wärmeübertragung und Prozess-Scale-up
Beeinflussung des Prozess-Scale-up durch den Wärmetransport im Rührkessel

Das Scale-up eines chemischen Prozesses vom Labor zur Produktion liefert nur bei genau bekannten Wärmeübertragungskoeffizienten zufriedenstellende Resultate. Durch die Messung von Mantel- und Reaktortemperatur (während der Freisetzung einer definierten Wärmemenge) können Forscher den Wärmewiderstand genau bestimmen. Anhand des Wärmewiderstands kann die Wärmeübertragung modelliert und wichtige Vorhersagen für größere Reaktoren getroffen werden. Reaktionskalorimetrie trägt entscheidend zur Bestimmung von Parametern, die sich auf die Wärmeübertragung und Wärmeübertragungskoeffizienten auswirken, und zur Entwicklung von Modellen zum Maximieren des Regelbereichs einer Produktionsanlage bei. 

Massentransfer und Reaktionsgeschwindigkeit
Mischen in einem chemischen Reaktor und die Effekte auf Reaktionskinetik und Scale-up

Durch Mischen wird die Inhomogenität von mischbaren oder nicht mischbaren Phasen reduziert oder beseitigt. Prozess-Scale-up und -optimierung erfordern eine Quantifizierung der Effekte von Mischen auf die Reaktion. Zur Herstellung einer Korrelation zwischen den Massentransfers und zur schnellen Justierung des Gas-/Flüssigkeits-Schnittstellenbereichs und des Reaktorvolumens können automatisierte und kontrollierte Versuche parallel in einem Laborreaktorsystem durchgeführt werden. Dadurch werden die für das Scale-up oder Scale-down eines Prozesses erforderlichen Bedingungen geschaffen.

Kristalle
Optimieren von Kristallgrösse, Ausbeute und Reinheit

Die Optimierung und das Scale-up von Kristallisation und Fällung zur Herstellung eines Produkts, das Reinheits-, Ertrags-, Form- und Partikelgrössenspezifikationen konsistent einhält, kann eine der grössten Herausforderungen in der Prozessentwicklung darstellen.

Prozesskontrolle für exotherme Reaktionen
Verständnis und Kontrolle der Entwicklung von Grignard-Reaktionen und Scale-Up mit Prozessanalysetechnologie

Exotherme chemische Reaktionen bergen einige Risiken – insbesondere beim Scale-Up. Zu den Risiken gehören Sicherheitsgefährdungen, wie Überdrücke, Inhaltsentladungen oder Explosionen sowie ein durch starke Temperaturanstiege verursachter Abfall der Produktausbeute und -reinheit.  Beispielsweise führt die fehlerhafte Kontrolle von Grignard-Reaktionen zu Sicherheitsgefährdungen in Verbindung mit der Ansammlung organischer Halogenide, die zu schweren Unfällen und sogar Kettenreaktionen führen können, falls sie nicht erkannt werden.

Hydrierungsreaktionen
Verstehen und Optimieren der Effekte von Prozessparametern für Hydrierungsreaktionen

Zur Untersuchung von Hydrierungsreaktionen müssen fundierte Entscheidungen zur Optimierung des Prozesses im Labor und zur Sicherstellung der Wiederholbarkeit beim Skalieren getroffen werden. Kontinuierliche Reaktionsmessungen in Echtzeit werden zur Gewinnung tiefgehender und fundamentaler Prozesserkenntnisse verwendet. Dadurch können schnellere Entscheidungen zu folgenden Zwecken getroffen werden: Reduzierung der Experimentanzahl und des Zeitaufwands zur Skalierung, Erhöhung der Selektivität/des Ertrags aus beinah umgehendem Feedback über die Reaktionsrichtung, Reduzierung der Zykluszeit und Verbesserung des Ertrags durch Bestimmung des idealen Endpunkts, indem die Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen wird und dadurch das Risiko der Bildung eines Nebenprodukts vermieden wird.

Diagramme zur Bestimmung der Reaktionskinetik
Untersuchung der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und Inline-Messung der Reaktionskinetik

In-situ-Studien zur Kinetik chemischer Reaktionen verbessern das Verständnis von Reaktionsmechanismen und -pfaden durch die Echtzeit-Erfassung der Konzentrationsabhängigkeiten zwischen reagierenden Komponenten. Durch kontinuierliche Datenerfassung während der Reaktion können Geschwindigkeitsgleichungen aufgrund der aussagekräftigen Daten mit weniger Versuchen berechnet werden. Bei der kinetischen Analyse des Reaktionsverlaufs (Reaction Progression Kinetics Analysis, RPKA) werden In-situ-Daten unter synthetisch relevanten Konzentrationen verwendet und Informationen während des gesamten Versuchs erfasst. Dadurch wird eine genaue Beschreibung des gesamten Reaktionsverhaltens gewährleistet.

Molekül einer Polymerisationsreaktion
Umfangreiche Einblicke in die Kinetik für die Entwicklung synthetischer Polymere

Um Polymerisationsreaktionen und die zugehörigen Mechanismen, die Kinetik, das Reaktivitätsverhältnis und die Aktivierungsenergien zu messen und zu verstehen, setzen Forscher routinemässig die In-Situ-IR-Spektroskopie ein. So können sie umfangreiche und aussagekräftige Informationen sammeln, um in kürzerer Zeit ihr Forschungsfeld voranzubringen.

Flow Chemistry
Verbesserung der Sicherheit, Reduzieren der Zykluszeit, Qualitätssteigerung und höhere Ausbeute

Die Flow Chemistry eröffnet Möglichkeiten mit exothermen Syntheseschritten, die in Chargenreaktoren nicht möglich sind; und neue Entwicklungen im Design von Strömungsreaktoren bieten Alternativen für Reaktionen, bei denen das Mischen in Chargenreaktoren eingeschränkt ist. Dadurch können häufig die Produktqualität verbessert und die Ausbeute erhöht werden. Der zusätzliche Einsatz der Prozessanalysetechnologie (PAT) ermöglicht eine schnelle Analyse der Flow Chemistry sowie die Optimierung und das Scale-Up von chemischen Reaktionen.

Vermeiden Sie Explosionsrisiken und Gefahren von chemischen Reaktionen
Explosionsgefahr bei chemischen Prozessen und wie Risiken in einer Produktionsanlage verhindert werden können

Wissenschaftler und Ingenieure beseitigen Explosionsrisiken in einer Chemieanlage mit einer umfassenden Sicherheitsanalyse. Mithilfe der Sicherheitsanalyse wird ein Prozess entwickelt, durch den eine unkontrollierte Wärme- oder Gaserzeugung, die Freigabe entflammbarer Dämpfe oder ein Überdruck des Reaktors, der einen Reaktorriss oder den Verlust von möglicherweise entflammbaren Stoffen zur Folge haben kann, ausgeschlossen werden kann.Die Reaktionskalorimetrie bestimmt die Reaktionswärme (Enthalpie) und den Grad der Wärmefreisetzung, um die Gefahr einer unkontrollierten Wärmeerzeugung zu verhindern. Auf diese Weise kann ein Prozess mit einem minimalen Risiko für einen Kontrollverlust entwickelt werden.

Verhindern Sie unkontrollierte chemische Reaktionen
Entwickeln Sie einen sicheren chemischen Prozess

Wesentliche Messungen und Berechnungen sind notwendig, um Runaway-Szenarien zu simulieren und den idealen Reaktionsablauf zu bestimmen. Das Messen, Berechnen und Verstehen der Parameter ist unerlässlich, um Risiken eines chemischen Prozesses zu bewerten und zu verhindern. So können Wissenschaftler sichere Vorhersagen über Temperaturprofile, maximale Betriebstemperatur und Dosierung machen.

Bewertung des Risikos chemischer Prozesse

Die Reaktionswärme oder Reaktionsenthalpie ist ein wichtiger Parameter, um ein sicheres und erfolgreiches Scale-up chemischer Prozesse durchzuführen. Die Reaktionswärme ist die Energie, die freigegeben oder absorbiert wird, wenn Chemikalien in einer chemischen Reaktion umgewandelt werden.

Chemische Prozessentwicklung und Scale-up

Design robuster und nachhaltiger chemischer Prozesse für den beschleunigten Transfer auf Pilotanlagen und die Produktionsebene

Wärmeübertragung und Prozess-Scale-up

Das Scale-up eines chemischen Prozesses vom Labor zur Produktion liefert nur bei genau bekannten Wärmeübertragungskoeffizienten zufriedenstellende Resultate. Durch die Messung von Mantel- und Reaktortemperatur (während der Freisetzung einer definierten Wärmemenge) können Forscher den Wärmewiderstand genau bestimmen. Anhand des Wärmewiderstands kann die Wärmeübertragung modelliert und wichtige Vorhersagen für größere Reaktoren getroffen werden. Reaktionskalorimetrie trägt entscheidend zur Bestimmung von Parametern, die sich auf die Wärmeübertragung und Wärmeübertragungskoeffizienten auswirken, und zur Entwicklung von Modellen zum Maximieren des Regelbereichs einer Produktionsanlage bei. 

Massentransfer und Reaktionsgeschwindigkeit

Durch Mischen wird die Inhomogenität von mischbaren oder nicht mischbaren Phasen reduziert oder beseitigt. Prozess-Scale-up und -optimierung erfordern eine Quantifizierung der Effekte von Mischen auf die Reaktion. Zur Herstellung einer Korrelation zwischen den Massentransfers und zur schnellen Justierung des Gas-/Flüssigkeits-Schnittstellenbereichs und des Reaktorvolumens können automatisierte und kontrollierte Versuche parallel in einem Laborreaktorsystem durchgeführt werden. Dadurch werden die für das Scale-up oder Scale-down eines Prozesses erforderlichen Bedingungen geschaffen.

Kristalle

Die Optimierung und das Scale-up von Kristallisation und Fällung zur Herstellung eines Produkts, das Reinheits-, Ertrags-, Form- und Partikelgrössenspezifikationen konsistent einhält, kann eine der grössten Herausforderungen in der Prozessentwicklung darstellen.

Prozesskontrolle für exotherme Reaktionen

Exotherme chemische Reaktionen bergen einige Risiken – insbesondere beim Scale-Up. Zu den Risiken gehören Sicherheitsgefährdungen, wie Überdrücke, Inhaltsentladungen oder Explosionen sowie ein durch starke Temperaturanstiege verursachter Abfall der Produktausbeute und -reinheit.  Beispielsweise führt die fehlerhafte Kontrolle von Grignard-Reaktionen zu Sicherheitsgefährdungen in Verbindung mit der Ansammlung organischer Halogenide, die zu schweren Unfällen und sogar Kettenreaktionen führen können, falls sie nicht erkannt werden.

Hydrierungsreaktionen

Zur Untersuchung von Hydrierungsreaktionen müssen fundierte Entscheidungen zur Optimierung des Prozesses im Labor und zur Sicherstellung der Wiederholbarkeit beim Skalieren getroffen werden. Kontinuierliche Reaktionsmessungen in Echtzeit werden zur Gewinnung tiefgehender und fundamentaler Prozesserkenntnisse verwendet. Dadurch können schnellere Entscheidungen zu folgenden Zwecken getroffen werden: Reduzierung der Experimentanzahl und des Zeitaufwands zur Skalierung, Erhöhung der Selektivität/des Ertrags aus beinah umgehendem Feedback über die Reaktionsrichtung, Reduzierung der Zykluszeit und Verbesserung des Ertrags durch Bestimmung des idealen Endpunkts, indem die Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen wird und dadurch das Risiko der Bildung eines Nebenprodukts vermieden wird.

Diagramme zur Bestimmung der Reaktionskinetik

In-situ-Studien zur Kinetik chemischer Reaktionen verbessern das Verständnis von Reaktionsmechanismen und -pfaden durch die Echtzeit-Erfassung der Konzentrationsabhängigkeiten zwischen reagierenden Komponenten. Durch kontinuierliche Datenerfassung während der Reaktion können Geschwindigkeitsgleichungen aufgrund der aussagekräftigen Daten mit weniger Versuchen berechnet werden. Bei der kinetischen Analyse des Reaktionsverlaufs (Reaction Progression Kinetics Analysis, RPKA) werden In-situ-Daten unter synthetisch relevanten Konzentrationen verwendet und Informationen während des gesamten Versuchs erfasst. Dadurch wird eine genaue Beschreibung des gesamten Reaktionsverhaltens gewährleistet.

Molekül einer Polymerisationsreaktion

Um Polymerisationsreaktionen und die zugehörigen Mechanismen, die Kinetik, das Reaktivitätsverhältnis und die Aktivierungsenergien zu messen und zu verstehen, setzen Forscher routinemässig die In-Situ-IR-Spektroskopie ein. So können sie umfangreiche und aussagekräftige Informationen sammeln, um in kürzerer Zeit ihr Forschungsfeld voranzubringen.

Flow Chemistry

Die Flow Chemistry eröffnet Möglichkeiten mit exothermen Syntheseschritten, die in Chargenreaktoren nicht möglich sind; und neue Entwicklungen im Design von Strömungsreaktoren bieten Alternativen für Reaktionen, bei denen das Mischen in Chargenreaktoren eingeschränkt ist. Dadurch können häufig die Produktqualität verbessert und die Ausbeute erhöht werden. Der zusätzliche Einsatz der Prozessanalysetechnologie (PAT) ermöglicht eine schnelle Analyse der Flow Chemistry sowie die Optimierung und das Scale-Up von chemischen Reaktionen.

Vermeiden Sie Explosionsrisiken und Gefahren von chemischen Reaktionen

Wissenschaftler und Ingenieure beseitigen Explosionsrisiken in einer Chemieanlage mit einer umfassenden Sicherheitsanalyse. Mithilfe der Sicherheitsanalyse wird ein Prozess entwickelt, durch den eine unkontrollierte Wärme- oder Gaserzeugung, die Freigabe entflammbarer Dämpfe oder ein Überdruck des Reaktors, der einen Reaktorriss oder den Verlust von möglicherweise entflammbaren Stoffen zur Folge haben kann, ausgeschlossen werden kann.Die Reaktionskalorimetrie bestimmt die Reaktionswärme (Enthalpie) und den Grad der Wärmefreisetzung, um die Gefahr einer unkontrollierten Wärmeerzeugung zu verhindern. Auf diese Weise kann ein Prozess mit einem minimalen Risiko für einen Kontrollverlust entwickelt werden.

Verhindern Sie unkontrollierte chemische Reaktionen

Wesentliche Messungen und Berechnungen sind notwendig, um Runaway-Szenarien zu simulieren und den idealen Reaktionsablauf zu bestimmen. Das Messen, Berechnen und Verstehen der Parameter ist unerlässlich, um Risiken eines chemischen Prozesses zu bewerten und zu verhindern. So können Wissenschaftler sichere Vorhersagen über Temperaturprofile, maximale Betriebstemperatur und Dosierung machen.

Die Reaktionswärme oder Reaktionsenthalpie ist ein wichtiger Parameter, um ein sicheres und erfolgreiches Scale-up chemischer Prozesse durchzuführen. Die Reaktionswärme ist die Energie, die freigegeben oder absorbiert wird, wenn Chemikalien in einer chemischen Reaktion umgewandelt werden.

Publikationen

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