Tránh rủi ro cháy nổ và nguy cơ phản ứng hóa học

Nổ là sự gia tăng nhanh chóng về thể tích và giải phóng năng lượng một cách cực đoan, thường là với việc tạo ra nhiệt độ cao và giải phóng khí. Các vụ nổ trong  nhà máy hóa chất cần được tránh bằng mọi giá. Có hai nguyên nhân chính  gây nổ trong quá trình hóa học:

• Vật liệu không ổn định về mặt năng lượng và có đặc tính nổ. Nghiên cứu an toàn toàn diện về quy trình sẽ xác định xem vật liệu có nhạy cảm với va đập, ma sát, nhiệt, v.v. hay không và có thể quy định các quy trình đặc biệt để xử lý an toàn.
• Quá trình này có thể dẫn đến tạo ra nhiệt hoặc khí không kiểm soát, dẫn đến thoát hơi dễ cháy hoặc lò phản ứng quá áp dẫn đến vỡ và mất các chất bên trong, có thể dễ cháy.

Để tránh nguy cơ sinh nhiệt không kiểm soát, quy trình bắt buộc phải được nghiên cứu bằng cách sử dụng Nhiệt lượng kế phản ứng để xác định Nhiệt phản ứng (entanpy) và tốc độ giải phóng nhiệt, để có thể thiết kế một quy trình giảm thiểu nguy cơ mất kiểm soát.

Tích lũy thường đề cập đến vật liệu được định lượng trong một phản ứng bán hàng loạt không phản ứng ngay lập tức.  Nồng độ của vật liệu này tích tụ / tích tụ và gây nguy hiểm nếu phản ứng sau đó bắt đầu chạy với tốc độ nhanh hơn hoặc nếu có lỗi làm mát. Sự tích lũy có thể được đo bằng cách sử dụng Nhiệt lượng kế phản ứng để xác định tốc độ tạo ra nhiệt và so sánh với tốc độ bổ sung như thế nào. Cũng có thể sử dụng phân tích tại chỗ để đo trực tiếp nồng độ của thuốc thử chưa phản ứng.

Khi một quy trình đang được nghiên cứu về an toàn, điều cần thiết là phải xác nhận xem khí có được sản xuất hay không và trong những trường hợp nào. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như quá trình khử cacboxyl giải phóng CO₂, đây là một phần rõ ràng và được mong đợi của quá trình.  Trong các trường hợp khác,  chẳng hạn như khi bắt đầu chạy trốn trong quá trình nitrat hóa, sản xuất khí có thể là do phản ứng phụ hoặc phân hủy bất ngờ. Sự phát triển khí bất ngờ có thể nhanh chóng dẫn đến thiết bị quá áp, với nguy cơ mất khả năng ngăn chặn hoặc thậm chí làm vỡ nhà máy, dẫn đến hậu quả thảm khốc.

Đo lường sự phát triển của khí là một phần quan trọng của các cuộc điều tra an toàn quy trình ở quy mô phòng thí nghiệm và Nhiệt lượng kế phản ứng có thể dễ dàng được trang bị máy đo hoặc hệ thống cảm biến để phát hiện định lượng thời gian và tốc độ phát triển khí để có thể cung cấp phù hợp trên quy mô lớn.

Khi một chất lỏng bay hơi, nó cần một lượng năng lượng đáng kể để thay đổi từ pha lỏng sang pha hơi. Đây được gọi là nhiệt tiềm ẩn của sự bay hơi. Hiện tượng này thường được sử dụng trong quá trình sản xuất hóa chất quy mô lớn nhằm giúp loại bỏ nhiệt ra khỏi hệ thống, từ đó giảm chi phí và tăng độ an toàn cho quy trình. Do đó, thông lệ phổ biến là vận hành ít nhất một phần của quy trình hàng loạt trong điều kiện trào ngược, để tối đa hóa tốc độ phản ứng trong khi vẫn duy trì một quy trình an toàn và hiệu quả. Hoạt động của Nhiệt lượng kế phản ứng trong điều kiện hồi lưu đòi hỏi sự chú ý đặc biệt để thu nhiệt được lấy đi trong bình ngưng hồi lưu và để đảm bảo rằng sự cân bằng năng lượng hoàn chỉnh của quá trình được duy trì ngay cả trong điều kiện hồi ngược.

Bài báo này đánh giá các câu hỏi sau về tích lũy nhiệt thông qua các nghiên cứu điển hình thực tế từ cả phòng thí nghiệm và nhà máy:

• Tại sao và khi nào sự tích tụ nhiệt xảy ra?
• Tích lũy nhiệt có quan trọng để xem xét không và nó lớn như thế nào?
• Tác động của việc tính toán tích tụ nhiệt không chính xác là gì?

Các phản ứng tự xúc tác có xu hướng bắt đầu rất chậm, và sau đó đột ngột tăng tốc độ do sự hình thành các hợp chất xúc tác hoặc chất trung gian. Điều này có thể cực kỳ nguy hiểm ở quy mô lớn, vì nó có thể có nghĩa là sản xuất nhanh chóng một lượng lớn nhiệt mà hệ thống làm mát không thể loại bỏ. Điều cực kỳ quan trọng là phải biết trước liệu một hệ thống có thể hiện hành vi tự xúc tác hay không, để quá trình có thể được thiết kế đúng cách. Nhiệt lượng kế phản ứng cho phép đo trực tiếp tốc độ sinh nhiệt và phân tích tại chỗ có thể cung cấp thêm thông tin về tốc độ diễn ra phản ứng.

Bắt đầu là thời điểm mà phản ứng hóa học bắt đầu, và nó không nhất thiết là khi các thuốc thử được trộn lẫn. Trong một số trường hợp, sự khởi đầu chỉ xảy ra sau một khoảng thời gian nhất định đã trôi qua (trong quá trình tự xúc tác), khi một vật liệu ức chế đã được tiêu thụ, hoặc khi đã đạt đến một nhiệt độ nhất định (trong một phản ứng không đẳng nhiệt hoặc một sự phân hủy). Sự tồn tại của một giai đoạn khởi đầu không nhất thiết có nghĩa là phản ứng là nguy hiểm, Nhưng điều cực kỳ quan trọng là các thông số của sự kiện (thời gian, thời lượng, v.v.) phải được hiểu rõ để tránh các điều kiện nguy hiểm. Ví dụ, các phản ứng Grignard thường trải qua quá trình khởi đầu chậm và điều quan trọng là không thêm quá nhiều halogen vào lò phản ứng trước khi sự bắt đầu đã được xác nhận. Nếu không, có nguy cơ tích tụ và bỏ trốn cao.

Tìm hiểu cách phép đo nhiệt lượng phản ứng giúp các nhà khoa học nhanh chóng sàng lọc các điều kiện và mở rộng quy mô một cách an toàn - mà không cần khối lượng thử nghiệm lớn. Các ví dụ được trình bày bao gồm:

• Phát hiện giải phóng nhiệt trong khi thay đổi nhiệt độ
• Hiểu ảnh hưởng của tích tụ nhiệt
• Sàng lọc các vấn đề về khả năng mở rộng ở quy mô nhỏ
• Loại bỏ nguy cơ phản ứng chạy trốn

Sự bùng nổ xảy ra khi một vật liệu rắn, chẳng hạn như bình chứa lò phản ứng hoặc thùng chứa chứa, trải qua phản ứng phân hủy tự duy trì giải phóng một lượng năng lượng đáng kể (nhiệt).  Cháy nổ về cơ bản là cháy, nhưng có thể xảy ra khi không có oxy từ khí quyển. Phát nổ khác với kích nổ, chủ yếu liên quan đến tốc độ của phản ứng, với một vụ nổ xảy ra ở vận tốc siêu âm và nổ ở vận tốc cận âm. Trong quá trình hóa học, cần tránh cháy nổ bằng mọi giá. Các nghiên cứu an toàn quy trình hóa chất phải luôn bao gồm đánh giá tính nhạy cảm của vật liệu đối với cháy nổ (và nổ), cũng như hiểu biết về nhiệt độ có thể đạt được trong quá trình, đặc biệt là trong trường hợp quá trình bị đảo lộn hoặc thất bại làm mát.

Hệ thống sưởi ấm và làm mát của nhiệt lượng kế phản ứng RC1 dựa trên chất lỏng truyền nhiệt tuần hoàn với vận tốc cao và một lượng lớn dầu được làm mát trước. Trong khi vận tốc cao đảm bảo phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, bình chứa với dầu làm mát trước đảm bảo làm mát tức thời trong trường hợp nhiệt độ lớn hoặc khẩn cấp. Cùng với các thuật toán đảm bảo tính toán chính xác cao nhất, bộ điều nhiệt được thiết kế để phản ứng nhanh với các điều kiện thay đổi trong lò phản ứng nhằm duy trì nhiệt độ mong muốn một cách chính xác.

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ của nhiệt lượng kế phản ứng EasyMax và OptiMax sử dụng khái niệm sưởi ấm bằng điện và công nghệ làm mát trạng thái rắn dựa trên Peltier. Cả sưởi ấm và làm mát đều cực kỳ nhanh do thiết kế bộ điều nhiệt nhỏ gọn và cho phép hệ thống đạt được nhiệt độ dưới 0 °C mà không cần sử dụng máy áp lạnh. Kết quả của thiết kế, yêu cầu về không gian là tối thiểu.