Segurança do Processo Químico

A segurança de processos químicos se concentra na prevenção de incidentes e acidentes durante a fabricação em larga escala de produtos químicos e farmacêuticos. Refere-se à liberação não intencional de materiais potencialmente perigosos e energia para o ambiente durante uma reação química ou devido a uma reação descontrolada.

Na indústria de produtos químicos, os incidentes na segurança do processo são causados por diferentes razões, incluindo:

• Falta de Informações
• Treinamento Insuficiente do Operador
• Defeitos Técnicos
• Erros Humanos
• Encadeamento de Coincidências Lamentáveis

If you prefer, we may translate: "Falhas de funcionamento, erros humanos e o não entendimento da química com todas as reações colaterais possíveis ou do processo e seus parâmetros estão entre as razões mais frequentes porque ocorrem incidentes ou acidentes."

Identificar e compreender os perigos e riscos, juntamente com uma análise de risco completa, permite avaliar o risco de disparar decomposições e evita perda de controle sobre a reação.

A segurança do processo químico é parte de uma avaliação de segurança abrangente para o aumento de escala e a fabricação. Portanto, deve ser considerada como parte da cultura e política da empresa. A diretriz na qual a Segurança do Processo Químico está classificada também é conhecida como diretriz “HSE” ou “SHE” e está incluída nas diretivas de muitos órgãos reguladores.

A Segurança de Processo Químico utiliza uma estrutura de diferentes técnicas, tecnologias e modelos e requer a compreensão das reações desejadas e potencialmente indesejáveis. Isso inclui a investigação de eventos térmicos, a transferência de calor, mistura, transferência de massa, evolução de gás, bem como a estabilidade da matéria-prima, massa de reação e produtos resultantes.

Assim, uma série de diferentes disciplinas são empregadas para garantir a segurança do processo químico.

A resposta breve é evitar incidentes e acidentes em escala de produção ou piloto. Tipicamente, os produtos são desenvolvidos sob cronogramas desafiadores com pouca quantidade de material e sob condições extremas. No decorrer dos anos, os processos químicos tornaram-se mais numerosos, plantas mais complexas, química mais pretensiosa e mais tóxica, e condições operacionais mais perigosas. Por causa disso e dos acidentes que ocorreram, os órgãos regulatórios e a sociedade tornaram-se mais sensíveis e conscientes dos regulamentos. Tais tendências forçaram as empresas a melhorarem a segurança do processo químico em geral e desenvolverem conceitos que garantam processos químicos e produção de produtos químicos inerentemente seguros. Um design inerentemente seguro evita riscos químicos em vez de controlá-los.

Para garantir uma operação segura e em conformidade, o processo e seus riscos devem ser claramente compreendidos.

Estudos minuciosos da segurança do processo químico não apenas impedem reações descontroladas como também impedem que as plantas sejam danificadas ou destruídas, que as pessoas sejam feridas ou que o meio ambiente seja poluído.

O propósito dos estudos de segurança do processo químico é obter uma visão geral de todos os perigos em potencial, efeitos e consequências. Inclui disciplinas como segurança de processo e produto, pessoal, bem como segurança ambiental. Atenção adequada, gerenciamento e investigação devem ser dados a cada uma das disciplinas acima para garantir a produção segura de produtos químicos em larga escala.

A consequência de incidentes e acidentes em plantas químicas pode variar de leve, com a perda de um lote ou pequenos danos à planta, até desastrosa, com funcionários feridos ou mortos, plantas muito danificadas ou até mesmo destruídas, danos ambientais catastróficos e causalidades humanas em uma vasta área circundante. Incidentes dessa magnitude também terão forte impacto na reputação da empresa e perda econômica.

Tudo isso justifica investimentos em segurança do processo químico.

A segurança do processo químico utiliza uma estrutura de diferentes técnicas, tecnologias e modelos nos quais os cientistas investigam a reação química, as propriedades dos solventes e produtos químicos utilizados e os parâmetros de processo adequados.

Reações químicas, seu progresso e a formação de subprodutos e impurezas são geralmente controladas por parâmetros, incluindo temperatura, pH, pressão, taxas de dosagem, agitação, mistura, tipo de solvente, catalisador, e muitos mais.

No desenvolvimento do processo, parâmetros adicionais, tais como cinética de reação químicas, liberação máxima de calor, acúmulo de calor e material não reagido, transferência de calor e massa, alterações de viscosidade, incrustação, precipitação ou evolução do gás também devem ser levados em conta.

Como consequência, as análises de reações potencialmente desejadas e não desejadas são mais relevantes para a segurança do processo químico e estão sujeitas a investigações detalhadas.

A calorimetria é usada para analisar o comportamento térmico de reações químicas. Enquanto calorimetria de reação é aplicada para investigar a reação desejada, a Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) é usada tipicamente para estudar a reação indesejada. A reação secundária geralmente é uma decomposição dos componentes ou massa da reação que, na pior das hipóteses, leva a uma reação descontrolada.

Calorímetros de reação  fornecem informação térmica, incluindo perfis de fluxo de calor em função do tempo ou dosagem, liberação máxima de calor, acumulação térmica, acumulação de reagentes, entalpia de reação, coeficientes de transferência de calor. Investigações de processos químicos em calorímetros de reação também permitem descobrir dependências da reação na agitação e mistura. A combinação da informação do calorímetro de reação com as informações coletadas pela varredura térmica (por exemplo, com DSC) permite obter protocolos de segurança, tais como o gráfico de descontrole ou a criticidade de uma reação.

A informação abrangente obtida a partir da calorimetria de reacção ajuda os cientistas a identificar e eliminar parâmetros críticos ou não escaláveis, alcançando assim um elevado nível de segurança do processo químico.

Na calorimetria de reação, um processo químico é estudado em relação à influência dos parâmetros do processo e da reação sobre progresso da reação, taxa de reação, liberação de calor de acordo com tempo ou dosagem, liberação máxima de calor, influência do acúmulo de energia e reagente ou transferência de calor e massa.

Enquanto executa uma reação química sob condições semelhantes às do processo, a quantidade de energia liberada ou absorvida é determinada em função do tempo, e é registrada junto com outros dados do processo.

O RC1mx suporta diferentes métodos para medir o calor da reação. Por exemplo, a técnica comprovada de fluxo de calor em que o comportamento de transferência de calor em função do tempo é determinado por uma calibração do coeficiente de transferência de calor ou RTCal (que mede e apresenta o fluxo de calor on-line e em tempo real).

Independentemente do método utilizado, algoritmos especiais asseguram que o calor de reação é medido com exatidão eprecisão - independente da configuração do reator, sob todas as condições experimentais, inclusive

• Condições de Temperatura Isotérmica
• Condições de Temperatura Não Isotérmica
• Adição de Reagentes Frios e Quentes

Para estudos completos da segurança do processo químico, os calorímetros de reação são usados para obter detalhes da reação investigada, incluindo:

• Influência de Alteração do Comportamento da Mistura
• Reações Laterais ou Consecutivas
• Alteração da Capacidade Térmica
• Evaporação ou Evolução do Gás

Individualmente, ou como uma estação de trabalho química integrada, essas ferramentas fornecem suporte crucial para uma melhor segurança do processo químico:

• Reatores de Síntese Química
  Estações de trabalho de síntese automatizadas capacitam experimentos autônomos com controle preciso das condições de reação e dados coletados a partir de cada experimento, dia e noite.
   

• Calorímetros de Reação
  testam reações em pequena escala, identificam condições não escaláveis, exploram parâmetros de processo para aumento de escala e avaliam os riscos e a criticidade de processos. A faixa de calorimetria de reação disponível suporta o desenvolvimento de processos seguros, econômicos e ecológicos.
  
  
• FTIR e Raman Espectrômetros
  O monitoramento contínuo permite que os usuários busquem componentes ao longo do tempo para um “vídeo molecular” da reação. O rastreamento e caracterização em tempo real das principais espécies de reação em função do tempo de reação ajudam na cinética e nas investigações mecanicistas
  
  
• iC Software
  Transforma dados experimentais em importante conhecimento de processo e integra fluxos de dados para compreensão abrangente e gerenciamento de dados. iC DataCenter captura todos os dados experimentais de forma segura e permite preparar e compartilhar dados entre a organização para ajudar a construir o conhecimento institucional

A segurança de processos químicos e aplicações relacionadas são mencionadas em muitas publicações. Abaixo temos alguns destaques:

• 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. Calorimetria de reação como uma ferramenta para avaliação de risco térmico e melhoria de processos químicos escaláveis seguros. Inorg Chem Ind J. 2017;12(1):110
  
  
• Darja Pecar e Andreja Gorsek, sistema de reação de saponificação: uma determinação detalhada do coeficiente de transferência de massa, Acta Chim.Slov. 2015, 62, 237–241
  
  
• Christopher W. Mitchell, Josiah D. Strawser, Alex Gottlieb, Michael H. Millonig, Frederick A. Hicks e 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 e 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