Izogibajte se nevarnostim eksplozije in nevarnostim kemičnih reakcij

Eksplozija je hitro povečanje prostornine in ekstremno sproščanje energije, običajno z nastajanjem visokih temperatur in sproščanjem plinov. Eksplozijam v  kemični tovarni se je treba izogibati za vsako ceno. Obstajata dva glavna  vzroka za eksplozije med kemičnim procesom:

• Material je energetsko nestabilen in ima eksplozivne lastnosti. Celovita varnostna študija postopka bo ugotovila, ali so materiali občutljivi na udarce, trenje, toploto itd., in lahko narekuje posebne postopke za varno ravnanje.
• Postopek lahko povzroči nenadzorovano nastajanje toplote ali plina, kar povzroči uhajanje vnetljivih hlapov ali prevelik tlak reaktorja, kar povzroči razpok in izgubo vsebine, ki je lahko vnetljiva.

Da bi se izognili tveganju nenadzorovanega nastajanja toplote, je nujno, da se postopek preuči z uporabo reakcijskega kalorimetra, da se določi reakcijska toplota (entalpija) in hitrost sproščanja toplote, tako da se lahko oblikuje proces, ki zmanjšuje tveganje izgube nadzora.

Akumulacija se običajno nanaša na material, ki se dozira med polšaržno reakcijo, ki ne reagira takoj.  Koncentracija tega materiala se kopiči / kopiči in predstavlja nevarnost, če reakcija začne hitreje ali če pride do okvare hlajenja. Akumulacijo lahko izmerimo z reakcijskim kalorimetrom, da določimo hitrost, s katero se proizvaja toplota, in kako se to primerja s hitrostjo dodajanja. Analizo in situ je mogoče uporabiti tudi za neposredno merjenje koncentracije nereagiranega reagenta.

Ko se postopek preučuje glede varnosti, je nujno potrditi, ali se plin proizvaja in v kakšnih okoliščinah. V nekaterih primerih, kot je dekarboksilacija, ki sprošča CO₂, je to očiten in pričakovan del procesa.  V drugih primerih,  na primer na začetku pobega med nitriranjem, je lahko proizvodnja plina posledica nepričakovane stranske reakcije ali razgradnje. Nepričakovano razvijanje plina lahko hitro povzroči prevelik pritisk opreme, kar lahko povzroči izgubo zadrževanja ali celo razpok obrata, kar ima katastrofalne posledice.

Merjenje razvoja plina je ključni del preiskav varnosti procesov na laboratorijski ravni, reakcijski kalorimeter pa je mogoče enostavno opremiti z merilnikom ali senzorskim sistemom za kvantitativno zaznavanje časa in hitrosti pridobivanja plina, tako da se lahko ustrezno zagotovi v velikem obsegu.

Ko tekočina izhlapi, potrebuje veliko energije za prehod iz tekoče faze v parno fazo. To je znano kot latentna toplota izhlapevanja. Ta pojav se pogosto uporablja pri obsežni kemični proizvodnji, da bi pomagali odstraniti toploto iz sistema in s tem zmanjšali stroške in povečali varnost procesa. Zato je običajna praksa, da se vsaj del šaržnega postopka izvaja v pogojih refluksa, da bi povečali hitrost reakcije in hkrati ohranili varen in učinkovit proces. Delovanje reakcijskega kalorimetra v pogojih refluksa zahteva posebno pozornost za zajemanje toplote, ki se odvzame v refluksni kondenzator, in za zagotovitev, da se celotna energijska bilanca procesa ohrani tudi v pogojih refluksa.

Ta članek ocenjuje naslednja vprašanja o toplotnem akumulaciji s praktičnimi študijami primerov iz laboratorija in obrata:

• Zakaj in kdaj pride do kopičenja toplote?
• Ali je pomembno upoštevati toplotno akumulacijo in kako velika je?
• Kakšen je vpliv napačnega izračuna toplotne akumulacije?

Autokatalitične reakcije se nagibajo k začetku zelo počasi, nato pa se nenadoma povečajo zaradi nastajanja katalitičnih spojin ali intermediatov. To je lahko zelo nevarno v velikem obsegu, saj lahko pomeni hitro proizvodnjo velikih količin toplote, ki je hladilni sistem ne more odstraniti. Ključnega pomena je, da vnaprej veste, ali sistem kaže avtokatalitično vedenje, tako da je proces mogoče pravilno zasnovati. Reakcijski kalorimeter omogoča neposredno merjenje hitrosti proizvodnje toplote, analiza na kraju samem pa lahko zagotovi dodatne informacije o hitrosti, s katero poteka reakcija.

Iniciacija je točka, na kateri se začne kemijska reakcija, in ni nujno, ko se reagenti zmešajo. V nekaterih primerih se iniciacija pojavi šele po preteku določenega časovnega obdobja (med avtokatalizo), ko je bil porabljen inhibicirajoči material ali ko je dosežena določena temperatura (med neizotermično reakcijo ali razgradnjo). Obstoj začetnega obdobja ne pomeni nujno, da je reakcija nevarna, Vendar je bistvenega pomena, da so parametri dogodka (čas, trajanje itd.) dobro razumljeni, da bi se izognili nevarnim razmeram. Na primer, Grignardove reakcije so običajno podvržene zapozneli iniciaciji in pomembno je, da reaktorju ne dodamo preveč halogenida, preden je zagon potrjen. V nasprotnem primeru obstaja veliko tveganje kopičenja in pobega.

Preberite, kako reakcijska kalorimetrija pomaga znanstvenikom pri hitrem pregledu pogojev in varnem povečanju – brez potrebe po velikih količinah testiranja. Predstavljeni primeri vključujejo:

• Zaznavanje sproščanja toplote med spreminjanjem temperature
• Razumevanje učinka kopičenja toplote
• Preverjanje težav z razširljivostjo v majhnem obsegu
• Odprava tveganja za pobegle reakcije 

Deflagracija se pojavi, ko je trdni material, kot je reaktorska posoda ali posoda za shranjevanje, podvržen samovzdržni reakciji razgradnje, ki sprosti znatne količine energije (toplote).  Deflagracija v bistvu gori, vendar se lahko pojavi v odsotnosti kisika iz ozračja. Deflagracija se razlikuje od detonacije, predvsem glede na hitrost reakcije, pri čemer se detonacija pojavi pri nadzvočni hitrosti in deflagracija pri podzvočni hitrosti. Med kemičnim postopkom se je treba za vsako ceno izogibati deflagraciji. Študije o varnosti kemičnih postopkov bi morale vedno vključevati oceno dovzetnosti materiala za deflagracijo (in eksplozijo) ter razumevanje, katere temperature bi se lahko dosegle med postopkom, zlasti v primerih motenj procesa ali okvare hlajenja.

Sistem ogrevanja in hlajenja reakcijskega kalorimetra RC1 temelji na kroženju tekočine za prenos toplote z visoko hitrostjo in veliko količino predhodno ohlajenega olja. Medtem ko visoka hitrost zagotavlja hiter odziv na temperaturne spremembe, rezervoar s predhodno ohlajenim oljem zagotavlja takojšnje hlajenje v primeru velike eksoterme ali izrednih razmer. Skupaj z algoritmi, ki zagotavljajo najvišjo natančnost izračuna, je termostat zasnovan tako, da se hitro odziva na spreminjajoče se razmere v reaktorju, da natančno vzdržuje želeno temperaturo.

Sistem za nadzor temperature reakcijskega kalorimetra EasyMax in OptiMax uporablja koncept električnega ogrevanja in polprevodniško hlajenje na osnovi Peltierja. Tako ogrevanje kot hlajenje sta izjemno hitra zaradi kompaktne zasnove termostata in omogočata, da sistem doseže temperaturo precej pod 0 °C brez uporabe kriostata. Zaradi zasnove so prostorske zahteve minimalne.