Bezpečnosť chemických procesov

Bezpečnosť chemických procesov sa zameriava na prevenciu udalostí a nehôd pri výrobe chemikálií a farmaceutických výrobkov vo veľkom rozsahu – najmä neúmyselné uvoľňovanie potenciálne nebezpečných materiálov a energie do prostredia počas chemickej reakcie alebo z dôvodu nekontrolovanej reakcie.

V chemickom priemysle dochádza k bezpečnostným udalostiam z rôznych dôvodov, napríklad:

• chýbajúce informácie,
• nedostatočné zaškolenie obsluhy,
• technické chyby,
• ľudské chyby,
• zreťazenie nešťastných náhod.

Poruchy, ľudské chyby a nedostatočné pochopenie chemických zákonitostí vrátane všetkých možných vedľajších reakcií procesu a jeho parametrov patria medzi najčastejšie dôvody, prečo dochádza k udalostiam alebo nehodám.

Identifikácia a porozumenie nebezpečenstvám a rizikám spolu s dôkladnou analýzou rizík umožňujú posúdiť riziko spustenia rozkladu a zabrániť strate kontroly nad reakciou.

Bezpečnosť chemických procesov je súčasťou komplexného posúdenia bezpečnosti pre škálovanie a výrobu, a preto ju treba považovať za súčasť podnikovej kultúry a zásad. Smernica, pod ktorú spadá bezpečnosť chemických procesov, je známa tiež pod skratkou „HSE“ alebo „SHE“. Je tiež súčasťou smerníc mnohých regulačných orgánov.

Bezpečnosť chemických procesov využíva rámec rôznych techník, technológií a modelov a vyžaduje pochopenie požadovaných a potenciálne nežiaducich reakcií, ktoré sú možné počas daného procesu. Zahŕňa to skúmanie tepelných dejov, prenosu tepla, miešania, prenosu hmoty a vzniku plynu, ako aj stability východiskového materiálu, reakčnej hmoty a výsledných produktov.

Na zaistenie bezpečnosti chemických procesov sa teda používa množstvo rôznych disciplín.

Implementácia účinných bezpečnostných opatrení v oblasti chemických procesov predchádza udalostiam a nehodám v pilotnom alebo výrobnom meradle. Výrobky sa zvyčajne vyvíjajú s náročnými časovými obmedzeniami, s malým množstvom materiálu a za extrémnych podmienok. V priebehu rokov sa zvýšilo množstvo chemických procesov, závody sú čoraz zložitejšie, chemické postupy ambicióznejšie a toxickejšie a prevádzkové podmienky nebezpečnejšie. Z týchto dôvodov a z dôvodu výskytu vážnych nehôd si regulačné orgány a spoločnosť ako celok začali viac uvedomovať potrebu bezpečnosti. Tieto trendy prinútili spoločnosti zlepšiť všeobecnú bezpečnosť chemických procesov a vyvinúť koncepty, ktoré zabezpečia prirodzene bezpečné chemické procesy a výrobu. Prirodzene bezpečný návrh predchádza chemickým rizikám ešte pre ich vznikom.

Na zaistenie bezpečnej a vyhovujúcej prevádzky je nutné jasne porozumieť procesu a jeho rizikám.

Dôkladné štúdie bezpečnosti chemických procesov nielenže zabraňujú nekontrolovaným reakciám, ale aj poškodeniu či zničeniu závodov, zraneniam alebo stratám na životoch, ako aj zhoršeniu či znečisteniu životného prostredia.

Účelom týchto štúdií je získať prehľad o všetkých potenciálnych nebezpečenstvách, účinkoch a dôsledkoch. Zahŕňajú disciplíny, ako je produkt a proces, bezpečnosť osôb a ochrana životného prostredia. Každej z vyššie uvedených disciplín sa musí venovať náležitá pozornosť, riadenie a kontrola, aby sa zaistila bezpečná výroba chemických látok vo veľkom rozsahu.

Bezpečnosť chemických procesov využíva rámec rôznych techník, technológií a modelov, v rámci ktorých vedci skúmajú chemickú reakciu, vlastnosti použitých rozpúšťadiel a chemikálií a vhodné parametre procesu.

Chemické reakcie, ich priebeh a tvorba vedľajších produktov a nečistôt sa zvyčajne kontrolujú manipuláciou s parametrami, ako je teplota, pH, tlak, rýchlosť dávkovania, miešanie, zmiešavanie, typ rozpúšťadla, katalyzátor atď.

Pri vývoji procesov je potrebné brať do úvahy aj ďalšie parametre, ako je napríklad kinetika chemických reakcií,  maximálne uvoľnenie tepla, akumulácia tepla a nezreagovaného materiálu, prenos tepla a hmoty, zmeny viskozity, znečistenie, zrážanie alebo vznik plynu.

Z tohto dôvodu je pre bezpečnosť chemických procesov najrelevantnejšia analýza požadovaných a potenciálne nežiaducich reakcií a stáva sa predmetom dôkladného skúmania.

Kalorimetria sa používa na analýzu tepelného správania chemických reakcií. Kým na skúmanie požadovanej reakcie sa používa reakčná kalorimetria, na štúdium nežiaducej reakcie sa zvyčajne používa diferenčná skenovacia kalorimetria (DSC) . Sekundárnou reakciou je často rozklad reakčnej hmoty alebo jej zložiek, ktorý v najhoršom prípade vedie k nekontrolovanej reakcii.

Reakčné kalorimetre poskytujú tepelné informácie vrátane profilov tepelného toku ako funkcie času alebo dávkovania, maximálneho uvoľnenia tepla, tepelnej akumulácie, akumulácie činidiel, entalpie reakcie a koeficientov prenosu tepla. Výskum chemických procesov v reakčných kalorimetroch tiež umožňuje vedcom odhaliť závislosti reakcie od miešania a zmiešavania. Kombinácia informácií z reakčného kalorimetra s informáciami zhromaždenými tepelným skríningom (napr. pomocou DSC) umožňuje odvodiť bezpečnostné protokoly, ako napríklad graf nekontrolovanej reakcie alebo kritickosť reakcie.

Komplexné informácie získané z reakčnej kalorimetrie pomáhajú vedcom pri identifikácii a eliminácii kritických alebo neškálovateľných parametrov, čím sa dosahuje vysoká úroveň bezpečnosti chemických procesov.

Pri reakčnej kalorimetrii sa chemický proces skúma vzhľadom na vplyv parametrov reakcie a procesu na priebeh, reakčnú rýchlosť, uvoľňovanie tepla v závislosti od času alebo dávkovania, maximálne uvoľňovanie tepla, akumulačný vplyv energie a činidla alebo hmotnosť a prenos tepla.

Pri vykonávaní chemickej reakcie v podmienkach podobných procesu sa určuje množstvo uvoľnenej alebo absorbovanej energie ako funkcia času a zaznamená sa spolu s ďalšími údajmi o procese.

Kalorimeter RC1mx  podporuje rôzne metódy na meranie tepla reakcie. Patrí medzi ne napríklad osvedčená technika tepelného toku, pri ktorej sa určuje správanie prenosu tepla ako funkcie času kalibráciou koeficientu prenosu tepla alebo RTCal (technika, ktorá meria a prezentuje tepelný tok online a v reálnom čase).

Bez ohľadu na použitú metódu vlastné algoritmy zabezpečujú, že teplo z reakcie sa meria presne a precízne – nezávisle od nastavenia reaktora a pri všetkých experimentálnych podmienkach vrátane nasledovných:

• izotermické teplotné podmienky,
• neizotermické teplotné podmienky,
• pridanie studených a horúcich činidiel.

Pri dôkladných štúdiách bezpečnosti chemických procesov sa reakčné kalorimetre používajú na získanie podrobností o skúmanej reakcii vrátane nasledujúcich javov:

• vplyv zmeny správania zmiešavania,
• vedľajšie alebo následné reakcie,
• zmena tepelnej kapacity,
• odparovanie alebo vznik plynu.

Tieto nástroje jednotlivo alebo vo forme integrovaného chemického pracoviska poskytujú rozhodujúcu podporu pre vyššiu bezpečnosť chemických procesov:

• Reaktory chemickej syntézy
  Automatizované pracovné stanice pre syntézy umožňujú bezobslužné experimenty s presnou kontrolou reakčných podmienok a údajov zhromaždených z každého experimentu, vo dne aj v noci.
   

• Reakčné kalorimetre
  Skríning reakcií v malej mierke, identifikácia neškálovateľných podmienok, skúmanie parametrov procesu pre škálovanie a hodnotenie rizík a kritickosti procesov sú možné vďaka reakčným kalorimetrom, ktoré podporujú vývoj bezpečných, ekonomických a ekologických procesov.
  
  
• FTIR a Ramanove spektrometre
  Nepretržité monitorovanie umožňuje používateľom sledovať trendy komponentov v priebehu času a získať tak „molekulárne video“ reakcie. Sledovanie a profilovanie kľúčových chemických zložiek v rámci reakcie ako funkcie času reakcie v reálnom čase vďaka spektrometrom pomáha pri kinetickom a mechanickom výskume.
  
  
• Softvér iC
  Transformujte experimentálne údaje na dôležité poznatky o procese a integrujte dátové toky pre komplexné porozumenie a správu údajov. Systém iC DataCenter bezpečne zaznamenáva všetky experimentálne údaje a umožňuje prípravu a šírenie údajov v rámci organizácie, čo pomáha pri budovaní inštitucionálnych znalostí.

Bezpečnosťou chemických procesov a súvisiacich aplikácií sa zaoberajú mnohé publikácie. Nižšie uvádzame niektoré z najdôležitejších:

• Thirumalai Lakshminarasimhan, Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 315 − 320
  
  
• Kamala Jyotsna G, Srikanth S, Ratnaparkhi V, et al. Reaction calorimetry as a tool for thermal risk assessment and improvement of safe scalable chemical processes. Inorg Chem Ind J. 2017; 12(1): 110
  
  
• Darja Pecar and Andreja Gorsek, Saponification Reaction System: a Detailed Mass Transfer Coefficient Determination, Acta Chim. Slov. 2015, 62, 237 – 241
  
  
• Christopher W. Mitchell, Josiah D. Strawser, Alex Gottlieb, Michael H. Millonig, Frederick A. Hicks, and Charles D. Papageorgiou, Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828 − 1835
  
  
• Min Hua, Min Qi, Xuhai Pan, Wendi Yu, Lu Zhang, and Juncheng Jianga, Inherently Safer Design for Synthesis of 3-Methylpyridine-N-Oxide, Process Safety Progress, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/prs. 11952
  
  
• Alexandre M. Monteiro, Roy C. Flanagan, Process Safety Considerations for the Use of 1 M Borane Tetrahydrofuran Complex Under General Purpose Plant Conditions, Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 241 – 246
  
  
• Jingyao Wang, Yanyan Huang, Benjamin A. Wilhite, Maria Papadaki, M. Sam Mannan, Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3‑Methylpyridine N‑Oxide Synthesis, Industrial & Engineering Chemistry Research 2019 58 (15), 6093 – 6104