폭발은 부피와 에너지 방출이 극단적인 방식으로 빠르게 증가하는 것으로, 보통 높은 온도 생성 및 가스 방출을 동반합니다. 화학 공장 내 폭발은 어떠한 대가를 치르더라도 피해야 합니다. 화학 프로세스가 진행되는 동안 두 가지 주요 폭발 원인이 있습니다.
제어되지 않은 열 생성 위험을 방지하기 위해, 반응 열(엔탈피) 및 열 방출률을 측정하기 위해 반응 열량계를 사용해 프로세스를 연구하여 제어 손실의 위험을 최소화하도록 프로세스를 설계할 수 있습니다.
축적물은 일반적으로 세미 배치 반응 중 투입되는 즉시 반응하지 않는 물질을 지칭합니다. 이 물질의 농도가 누적/축적되고 보다 빠른 속도로 반응이 시작하거나 냉각 실패가 있을 경우 위험할 수 있습니다. 열 발생 속도를 측정하고 첨가율과 비교하는 방법을 결정하기 위해 반응 열량계를 사용하여 축적 열을 측정할 수 있습니다. 비반응 시약 농도를 직접 측정하기 위해 현장 분석 또한 사용할 수 있습니다.
안전성과 관련해 프로세스를 연구할 때는, 어떤 가스가 어떤 조건에서 발생되는지 여부를 확인하는 것이 필수입니다. 디카르복실 반응으로 CO2를 방출하는 등 일부 경우, 이는 프로세스에서 명백하고 예측 가능한 부분입니다. 질화 도중 폭주 시작 등과 같은 기타 경우, 예기치 않은 측면 반응 또는 분해로 인해 가스가 발생할 수 있습니다. 예기치 않은 가스 방출 시 격리 손실 위험과 관련 장비 과압이나 재난 결과로 공장 파열 등이 초래될 수 있습니다.
가스 방출 측정은 실험실 규모에서 프로세스 안전성 조사에 있어 매우 중요한 부분이며 스케일 상의 적절한 보호를 위해 시간 및 가스 방출률을 정량적으로 검출하도록 측정기 또는 센서 시스템을 갖춘 반응 열량계를 쉽게 장착할 수 있습니다.
액체가 증발할 때 액체에서 증기로 변하기 위해 상당한 양의 에너지가 필요합니다. 이는 증발 잠열로 알려져 있습니다. 이 현상은 대규모 화학 제조 중에 사용되어 시스템에서 열을 제거하며 이로 인해 비용이 절감되고 프로세스 안전성이 향상됩니다. 따라서 배치 프로세스의 최소 부분에 환류 조건을 운영하는 것이 일반적이며 이 과정을 통해 반응 속도가 극대화되고 동시에 안전하고 효율적인 프로세스가 유지됩니다. 환류 조건에서 반응 열량계를 조작할 시 환류 콘덴서에서 제거된 열을 포집하고, 프로세스의 전체 에너지 균형이 환류 조건에서도 유지되도록 각별히 유의해야 합니다.
이 자료는 실험실 및 공장 모두에서 실제 사례 연구를 통해 열 축적에 대한 다음 질문을 평가합니다.
자체 촉매 반응은 매우 느리게 시작되는 경향이 있으며, 그후 촉매 화합물 또는 중간체 형성으로 인해 속도가 갑자기 증가합니다. 이는 대형 스케일에서 매우 위험할 수 있는데, 냉각 시스템이 제거할 수 없는 다량의 열이 빠르게 발생할 수 있기 때문입니다. 프로세스를 적절하게 설계할 수 있도록 하기 위해서는 시스템에서 자동 촉매 거동을 보일 경우 미리 이를 파악하는 것이 매우 중요합니다. 반응 열량계를 통해 열 발생 속도를 직접 측정할 수 있으며 현장 분석은 반응 발생 속도에 대한 추가 정보를 제공할 수 있습니다.
시작은 화학 반응이 시작되는 지점이며 반드시 시약이 혼합되는 시점인 것은 아닙니다. 일부 경우, 억제 물질이 소모되거나 특정 온도에 도달할 때(비등온 반응 또는 분해 중) 특정 시간이 경과한 후에만(자체 촉매 작용 중) 반응이 시작됩니다. 시작 시간이 있다고 해서 반응이 위험하다는 것을 의미하는 것은 아니지만, 위험한 조건을 피하기 위해 사건의 주요 요소(시간, 기간 등)를 잘 파악하는 것이 매우 중요합니다. 예를 들어, 그리나드 반응은 일반적으로 시작이 지연되며, 시작이 확인되기 전에 반응기에 과도한 양의 할로겐화물을 첨가하지 않는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 축적 및 폭주 위험이 매우 높습니다.
과학자들이 반응 열량 측정을 통해 큰 부피를 테스트하지 않고도 상태를 어떻게 빠르게 선별하고 안전하게 스케일업할 수 있는지에 대해 알아보십시오. 제시된 사례는 다음과 같습니다.
반응기 용기 또는 보관 용기 등의 고체 물질이 상당한 양의 에너지(열)를 작용시키는 자체 지속적인 분해 반응을 겪을 때 폭연이 발생합니다. 폭연은 기본적으로 불이 타오르는 것이지만 대기 중에 산소가 없을 시에도 발생할 수 있습니다. 폭연은 반응 속도 측면에서 폭발과 다르며, 폭발은 초음속으로 발생하지만 폭연은 아음속으로 발생합니다. 화학 프로세스가 진행되는 동안에는 어떠한 대가를 치르더라도 폭연을 피해야 합니다. 화학 프로세스 안전성 연구 시 폭연(및 폭발) 관련 물질의 취약성을 평가하고 특히 프로세스 장애나 냉각 실패 시 프로세스 중에 도달할 수 있는 온도를 항상 파악해야 합니다.
RC1 반응 열량계의 가열 및 냉각 시스템은 고속 및 대량의 사전 냉각 오일을 이용하여 열 전달액을 순환시키는 개념에 기반합니다. 고속 기능은 온도 변화에 대한 빠른 응답을 보장하며, 사전 냉각 오일을 포함하는 저장소는 대량의 발열 또는 비상 상황 발생 시 즉각 냉각을 보장합니다. 이 온도 조정 장치는 최고의 계산 정밀성을 보장하는 알고리즘을 제공하는 것 외에도 반응기 내의 변화하는 상태에 빠르게 응답하도록 설계되어 있어 목표 온도를 정확하게 유지할 수 있습니다.
EasyMax 및 OptiMax 반응 열량계의 온도 제어 시스템은 전기 가열 개념과 Peltier 기반 솔리드 스테이트 냉각 기술을 이용합니다. 이러한 온도 조정 장치 설계 덕분에 가열과 냉각 모두 굉장히 빠른 속도로 이루어지며, 이는 시스템이 저온 유지 장치를 이용하지 않고도 0 °C 미만의 온도를 달성할 수 있도록 도와줍니다. 이러한 설계는 공간 요건도 최소화합니다.
과학자 및 엔지니어는 포괄적인 안전성 연구를 통해 화학 공장에서 폭발 위험을 제거합니다. 안전성 연구는 제어되지 않은 열 또는 가스 생성, 가연성 증기 방출 또는 반응기 과압으로 인해 발생할 수 있는 가연성 물질의 함량 손실 및 파열을 제거하는 프로세스 개발에 적용됩니다. 제어되지 않은 열 생성 위험을 방지하기 위해, 반응 열량 측정을 통해 반응 열 및 열 방출률을 측정하여 제어 손실 위험을 최소화하도록 프로세스를 설계할 수 있습니다.
폭주 시나리오 모델을 구상하고 이상적인 반응 절차를 수립하려면 필수 측정 및 계산이 필요합니다. 화학 프로세스 내 위험 방지 및 평가에 있어 파라미터의 측정, 계산 및 이해가 중요합니다. 이를 통해 과학자는 온도 프로필, 최대 작동 온도 및 투입에 대해 예측할 수 있습니다.
반응열 또는 반응 엔탈피는 화학 공정을 안전하고 성공적으로 확대하는 데 필수적인 파라미터입니다. 반응열은 화학 반응에서 화학 물질이 변형될 때 방출되거나 흡수되는 에너지입니다.
