Kemisk processäkerhet

Kemisk processäkerhet fokuserar på att förebygga tillbud och olyckor under storskalig tillverkning av kemikalier och läkemedel – i synnerhet oavsiktligt utsläpp av potentiellt farliga material och energi till miljön under en kemisk reaktion eller på grund av en skenande reaktion.

Inom den kemiska industrin uppstår processäkerhetsincidenter av olika anledningar, bland annat:

• Saknad information
• Otillräcklig operatörsutbildning
• Tekniska defekter
• Mänskliga fel
• sammanlänkning av olyckliga sammanträffanden

Fel, mänskliga fel och brist på fullständig förståelse för kemin, inklusive alla möjliga sidoreaktioner, i processen och dess parametrar är bland de vanligaste orsakerna till att incidenter eller olyckor äger rum.

Att identifiera och förstå faror och risker, tillsammans med grundlig riskanalys, gör det möjligt att utvärdera risken för att utlösa nedbrytningar och förhindra förlust av kontroll över reaktionen.

Kemisk processäkerhet är en del av en omfattande säkerhetsbedömning för uppskalning och tillverkning och måste därför ses som en del av företagskulturen och policyn. Riktlinjen som kemisk processäkerhet faller under är också känd som "HSE" eller "SHE" och ingår i direktiven från många tillsynsorgan.

Kemisk processäkerhet använder ett ramverk av olika tekniker, tekniker och modeller och kräver en förståelse för de önskade och potentiellt oönskade reaktioner som är möjliga under processen. Detta inkluderar undersökning av termiska händelser, värmeöverföring, blandning, massöverföring och gasutveckling, samt stabilitet hos utgångsmaterialet, reaktionsmassan och de resulterande produkterna.

Således används ett antal olika discipliner för att säkerställa kemisk processäkerhet.

När du skapar tillverkningsmetoder är det viktigt att ha detaljer om processen, säkerheten för råvaror, mellanprodukter och slutprodukten. Denna information är viktig för att forskare ska kunna bestämma det bästa sättet att utföra reaktioner och för att grundligt förstå processen. Processäkerhetsguiden tar upp de viktigaste hindren att tänka på när man utformar en säker process.

Implementeringen av effektiva kemiska processäkerhetsåtgärder förhindrar incidenter och olyckor i pilot- eller tillverkningsskala. Vanligtvis utvecklas produkter under utmanande tidslinjer med små mängder material och under extrema förhållanden. Under årens lopp har de kemiska processerna blivit fler, växterna mer komplexa, kemin mer ambitiös och giftigare och driftsförhållandena farligare. Av dessa skäl, och på grund av förekomsten av allvarliga olyckor, har tillsynsmyndigheter och samhället i stort blivit mer säkerhetsmedvetna. Dessa trender har tvingat företag att förbättra den allmänna kemiska processäkerheten och utveckla koncept som säkerställer säkra kemiska processer och tillverkning. En i sig säker design förhindrar kemiska faror snarare än att kontrollera dem.

För att säkerställa en säker och kompatibel drift måste en process och dess risker vara tydligt förstådda.

Grundliga kemiska processäkerhetsstudier förhindrar inte bara skenande reaktioner, utan även skador eller förstörelse av anläggningar, skador eller förlust av liv och/eller miljöförstöring eller förorening.

Syftet med sådana studier är att få en överblick över alla potentiella faror, effekter och konsekvenser. Det inkluderar discipliner som produkt- och process-, person- och miljösäkerhet. Lämplig uppmärksamhet, ledning och utredning måste ges till var och en av ovanstående discipliner för att säkerställa säker tillverkning av kemikalier i stor skala.

Kemisk processäkerhet använder ett ramverk av olika tekniker, tekniker och modeller där forskare undersöker den kemiska reaktionen, egenskaperna hos de lösningsmedel och kemikalier som används och lämpliga processparametrar.

Kemiska reaktioner, deras framsteg och bildningen av biprodukter och föroreningar styrs vanligtvis genom manipulering av parametrar som temperatur, pH, tryck, doseringshastigheter, omrörning, blandning, lösningsmedelstyp, katalysator, etc.

Vid processutveckling måste man också ta hänsyn till ytterligare parametrar, såsom kemiskareaktionskinetiker, maximal värmeavgivning, ackumulering av värme och oreagerat material, värme- och massöverföring, viskositetsförändringar, nedsmutsning, utfällning eller gasutveckling.

Följaktligen är analys av de önskade och potentiellt oönskade reaktionerna mest relevant för kemisk processäkerhet och är föremål för noggrann undersökning.

Kalorimetri används för att analysera det termiska beteendet hos kemiska reaktioner. Medan reaktionskalorimetri används för att undersöka den önskade reaktionen, används differentiell skanningskalorimetri (DSC) vanligtvis för att studera den oönskade reaktionen. Den sekundära reaktionen är ofta en nedbrytning av reaktionsmassan eller dess beståndsdelar som i värsta fall leder till en skenande reaktion.

Reaktionskalorimetrar ger termisk information, inklusive värmeflödesprofiler som en funktion av tid eller dosering, maximal värmeavgivning, termisk ackumulering, ackumulering av reaktanter, reaktionsentalpi och värmeöverföringskoefficienter. Undersökningar av kemiska processer i reaktionskalorimetrar gör det också möjligt för forskare att avslöja reaktionens beroende av omrörning och blandning. Kombinationen av information från en reaktionskalorimeter med den som samlats in genom termisk screening (t.ex. med DSC) gör det möjligt att härleda säkerhetsprotokoll, t.ex. skenande diagram eller hur kritisk en reaktion är.

Den omfattande information som erhålls från reaktionskalorimetri hjälper forskare att identifiera och eliminera kritiska eller icke-skalbara parametrar, vilket uppnår en hög nivå av kemisk processäkerhet.

Inom reaktionskalorimetri studeras en kemisk process med avseende på inverkan av reaktions- och processparametrar på förloppet, reaktionshastigheten, värmeavgivningen beroende på tid eller dosering, maximal värmeavgivning, ackumuleringspåverkan av energi och reaktant, eller massa och värmeöverföring.

När en kemisk reaktion körs under processliknande förhållanden bestäms mängden energi som frigörs eller absorberas som en funktion av tiden och registreras tillsammans med andra processdata.

RC1mx stöder olika metoder för att mäta värmen i en reaktion. Dessa inkluderar till exempel den beprövade värmeflödestekniken, där värmeöverföringsbeteendet som en funktion av tiden bestäms genom kalibrering av värmeöverföringskoefficienten, eller RTCal (en teknik som mäter och presenterar värmeflödet online och i realtid).

Oberoende av vilken metod som används säkerställer anpassade algoritmer att reaktionsvärmen mäts exakt och exakt – oberoende av reaktorns uppställning och under alla experimentella förhållanden, inklusive

• Isoterma temperaturförhållanden
• Icke-isoterma temperaturförhållanden
• Tillsats av kalla och varma reaktanter

För grundliga kemiska processäkerhetsstudier används reaktionskalorimetrar för att få information om den undersökta reaktionen, inklusive:

• Inverkan av förändrat blandningsbeteende
• Biverkningar eller konsekutiva reaktioner
• Växlande värmekapacitet
• Avdunstning eller gasutveckling

Var för sig, eller som en integrerad kemisk arbetsstation, ger dessa verktyg ett viktigt stöd för bättre kemisk processäkerhet:

• Kemiska syntesreaktorer
  Arbetsstationer för automatiserad syntes möjliggör obevakade experiment med exakt kontroll av reaktionsförhållanden och data som samlats in från varje experiment, dag som natt.
   

• Reaktionskalorimetrar
  Screening av reaktioner i liten skala, identifiering av icke-skalbara förhållanden, utforskning av processparametrar för uppskalning och bedömning av risker och kritiska processer är alla möjliga av reaktionskalorimetrar, vilket stöder utvecklingen av säkra, ekonomiska och ekologiska processer.
  
  
• FTIR- och Raman-spektrometrar
  Kontinuerlig övervakning gör det möjligt för användare att trenda komponenter över tid för en "molekylär video" av reaktionen. Spårning och profilering i realtid av viktiga reaktionsarter som en funktion av reaktionstiden som möjliggörs av spektrometrar underlättar kinetiska och mekanistiska undersökningar.
  
  
• iC-programvara
  Omvandla experimentella data till viktig processkunskap och integrera dataströmmar för omfattande förståelse och datahantering. iC DataCenter samlar in alla experimentella data på ett säkert sätt och gör det möjligt att förbereda och dela data över hela organisationen för att hjälpa till att bygga upp institutionell kunskap.

Använd Dynochem-modellering för att säkerställa effektiv blandning och värmeöverföring vid uppskalning av reaktioner. Dynochem gör det enkelt att snabbt jämföra reaktorer i labb-, pilot- och produktionsskala och hitta lämpliga blandningsparametrar för att på ett säkert sätt påskynda processöverföringen från reaktor till reaktor. Med data från reaktionskalorimetri och Dynochem-modellering kan du snabbt säkerställa kemisk processäkerhet och prestanda över skalor.

Kemisk processäkerhet och relaterade tillämpningar hänvisas till i många publikationer. Nedan följer några höjdpunkter:

• Thirumalai Lakshminarasimhan, Predicting 24 and 8 timmars adiabatisk nedbrytningstemperatur för lågtemperaturreaktioner genom kinetisk anpassning av icke-isoterma värmedata från Reaction Calorimeter, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 315-320
• Kamala Jyotsna G, Srikanth S, Ratnaparkhi V, et al. Reaktionskalorimetri som ett verktyg för termisk riskbedömning och förbättring av säkra skalbara kemiska processer. Inorg Chem Ind J. 2017; 12(1):110
  
• Darja Pecar och Andreja Gorsek, Förtvålningsreaktionssystem: En detaljerad bestämning av massöverföringskoefficienten, Acta Chim. Slov. 2015, 62, 237–241
  
• Christopher W. Mitchell, Josiah D. Strawser, Alex Gottlieb, Michael H. Millonig, Frederick A. Hicks och Charles D. Papageorgiou, Utveckling av en modelleringsbaserad strategi för säker och effektiv uppskalning av högenergetiska hydrogenationsreaktioner, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828-1835
  
• Min Hua, Min Qi, Xuhai Pan, Wendi Yu, Lu Zhang och Juncheng Jianga, i sig säkrare design för syntes av 3-metylpyridin-N-oxid, Process Safety Progress, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/prs.11952
  
• Alexandre M. Monteiro, Roy C. Flanagan, Processäkerhetsöverväganden för användning av 1 M borantetrahydrofurankomplex under allmänna anläggningsförhållanden, Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 241-246
  
• Jingyao Wang, Yanyan Huang, Benjamin A. Wilhite, Maria Papadaki, M. Sam Mannan, Mot identifiering av intensifierade reaktionsförhållanden med hjälp av svarsytmetodik: En fallstudie om 3-metylpyridin N-oxidsyntes, industriell och teknisk kemiforskning 2019 58 (15), 6093-6104