Undvik explosionsrisker och faror med kemiska reaktioner

En explosion är en snabb ökning av volymen och frigörandet av energi på ett extremt sätt, vanligtvis med generering av höga temperaturer och utsläpp av gaser. Explosioner i  en kemisk fabrik måste undvikas till varje pris. Det finns två huvudorsaker  till explosioner under en kemisk process:

• Materialet är energetiskt instabilt och har explosiva egenskaper. En omfattande säkerhetsstudie av processen kommer att identifiera om material är känsliga för stötar, friktion, värme etc. och kan diktera särskilda procedurer för säker hantering.
• Processen kan leda till okontrollerad värme- eller gasproduktion, vilket resulterar i utsläpp av brandfarlig ånga, eller en övertrycksättning av reaktorn som leder till brott och förlust av innehåll, som kan vara brandfarligt.

För att undvika risken för okontrollerad värmeutveckling är det absolut nödvändigt att processen studeras med hjälp av en reaktionskalorimeter för att bestämma reaktionsvärmen (entalpi) och värmeavgivningshastigheten, så att en process kan utformas som minimerar risken för förlust av kontroll.

Ackumulering avser vanligtvis material som doseras under en semi-batchreaktion som inte reagerar direkt.  Koncentrationen av detta material byggs upp/ackumuleras och utgör en fara om reaktionen sedan börjar gå i snabbare takt, eller om det uppstår ett kylningsfel. Ackumulering kan mätas med hjälp av en reaktionskalorimeter för att bestämma hastigheten med vilken värme produceras och hur den kan jämföras med additionshastigheten. Det är också möjligt att använda in situ-analys för att direkt mäta koncentrationen av det oreagerade reagenset.

När en process studeras med avseende på säkerhet är det viktigt att bekräfta om gas produceras och under vilka omständigheter. I vissa fall, t.ex . när dekarboxylering frigör CO₂, är detta en uppenbar och förväntad del av processen.  I andra fall,  t.ex . i början av rusning under nitrering, kan gasproduktionen bero på en oväntad sidoreaktion eller sönderdelning. Oväntad gasutveckling kan snabbt leda till övertryck i utrustningen, med risk för förlust av inneslutning eller till och med sprängning av anläggningen, med katastrofala konsekvenser.

Mätning av gasutveckling är en viktig del av processäkerhetsundersökningar i laboratorieskala, och reaktionskalorimetern kan enkelt utrustas med en mätare eller ett sensorsystem för att kvantitativt detektera tid och hastighet för gasutveckling så att lämpliga åtgärder kan göras i stor skala.

När en vätska avdunstar krävs det en betydande mängd energi för att byta från vätskefasen till ångfasen. Detta är känt som den latenta avdunstningsvärmen. Detta fenomen används ofta vid storskalig kemisk tillverkning för att hjälpa till att avlägsna värme från systemet och därmed minska kostnaderna och öka säkerheten i processen. Det är därför vanligt att använda åtminstone en del av en satsvis process under återflödesförhållanden, för att maximera reaktionshastigheten samtidigt som en säker och effektiv process upprätthålls. Drift av en reaktionskalorimeter under återflödesförhållanden kräver särskild uppmärksamhet för att fånga upp värmen som tas bort i återloppskondensorn och för att säkerställa att processens fullständiga energibalans upprätthålls även under återflödesförhållanden.

Denna uppsats utvärderar följande frågor om termisk ackumulering genom praktiska fallstudier från både laboratoriet och anläggningen:

• Varför och när uppstår termisk ackumulering?
• Är termisk ackumulering viktig att ta hänsyn till, och hur stor är den?
• Vad är effekten av en felaktig beräkning av termisk ackumulering?

Autokatalytiska reaktioner har en tendens att börja mycket långsamt och sedan plötsligt öka i hastighet på grund av bildandet av katalytiska föreningar eller intermediärer. Detta kan vara extremt farligt i stor skala, eftersom det kan innebära snabb produktion av stora mängder värme som kylsystemet inte kan ta bort. Det är mycket viktigt att veta i förväg om ett system uppvisar autokatalytiskt beteende, så att processen kan utformas på rätt sätt. Reaktionskalorimetern möjliggör direkt mätning av värmeproduktionshastigheten, och in situ-analys kan ge ytterligare information om hastigheten med vilken reaktionen äger rum.

Initiering är den punkt där den kemiska reaktionen börjar, och det är inte nödvändigtvis när reagenserna blandas. I vissa fall sker initiering först efter att en viss tidsperiod har förflutit (under autokatalys), när ett hämmande material har förbrukats eller när en viss temperatur har uppnåtts (under en icke-isoterm reaktion eller en sönderdelning). Att det finns en initieringsperiod innebär inte nödvändigtvis att reaktionen är farlig. Men det är mycket viktigt att parametrarna för händelsen (tid, varaktighet etc.) är väl förstådda för att undvika farliga förhållanden. Till exempel genomgår Grignardreaktioner vanligtvis en fördröjd initiering, och det är viktigt att inte tillsätta för mycket halogenid i reaktorn innan initieringen har bekräftats. Annars finns det en hög risk för ackumulering och rusning.

Lär dig hur reaktionskalorimetri hjälper forskare att snabbt screena förhållanden och skala upp på ett säkert sätt – utan behov av stora testvolymer. Några exempel som presenteras är:

• Detektera värmeavgivning vid temperaturändring
• Förstå effekten av värmeackumulering
• Screening för skalbarhetsproblem i liten skala
• Eliminera risken för skenande reaktioner 

Deflagration inträffar när ett fast material, såsom ett reaktorkärl eller en lagringsbehållare, genomgår en självunderhållande nedbrytningsreaktion som frigör betydande mängder energi (värme).  Deflagration är i huvudsak brinnande, men kan uppstå i frånvaro av syre från atmosfären. Deflagration skiljer sig från detonation, främst med avseende på reaktionens hastighet, med en detonation som sker vid överljudshastighet och deflagration vid subsonisk hastighet. Under en kemisk process måste deflagration undvikas till varje pris. Kemiska processäkerhetsstudier bör alltid omfatta en bedömning av materialets känslighet för deflagration (och explosion), samt en förståelse för vilka temperaturer som kan uppnås under processen, särskilt i fall av processstörningar eller kylningsfel.

Värme- och kylsystemet för RC1 Reaction Calorimeter är baserat på cirkulerande värmeöverföringsvätska med hög hastighet och en stor mängd förkyld olja. Medan den höga hastigheten säkerställer snabb respons på temperaturförändringar, garanterar behållaren med den förkylda oljan omedelbar kylning i händelse av en stor exoterm eller nödsituation. Tillsammans med algoritmerna som säkerställer högsta precision i beräkningen är termostaten utformad för att snabbt reagera på förändrade förhållanden i reaktorn för att upprätthålla den önskade temperaturen exakt.

Temperaturkontrollsystemet i EasyMax och OptiMax reaktionskalorimeter använder konceptet med elektrisk uppvärmning och Peltier-baserad halvledarkylningsteknik. Både uppvärmning och kylning är extremt snabba på grund av den kompakta termostatdesignen och gör det möjligt för systemet att uppnå temperaturer långt under 0 °C utan användning av kryostat. Som ett resultat av designen är utrymmeskraven minimala.