Seguridad del proceso químico

La seguridad del proceso químico se centra en la prevención de incidentes y accidentes durante la fabricación de productos químicos y farmacéuticos a gran escala. Hace referencia a la liberación no intencionada de materiales y energía potencialmente peligrosos para el medio ambiente durante una reacción química o debida a una reacción fuera de control.

En la industria química, los incidentes en la seguridad del proceso ocurren por diferentes razones, que incluyen:

• falta de información,
• formación insuficiente de los operarios,
• defectos técnicos,
• errores humanos,
• coincidencias desafortunadas enlazadas.

El mal funcionamiento, los errores humanos y la falta de conocimientos químicos en todas las posibles reacciones secundarias o el proceso y sus parámetros se encuentran entre las razones más frecuentes por las cuales ocurren incidentes o accidentes.

Identificar y comprender los riesgos y los peligros además de realizar un análisis exhaustivo de estos permite evaluar el riesgo de desencadenar descomposiciones y evita perder el control sobre la reacción.

La seguridad del proceso químico es parte de la evaluación integral de la seguridad para la ampliación y la fabricación y, por lo tanto, debe considerarse como parte de la cultura y la política de la empresa. La directriz relativa a la seguridad del proceso químico, a la que en inglés también se hace referencia como “HSE” o “SHE” y se aplica en las directivas de muchos organismos reguladores.

La seguridad del proceso químico usa un marco de diferentes técnicas, tecnologías y modelos y precisa comprender las reacciones deseadas y potencialmente no deseadas. Esto incluye la investigación de eventos térmicos, la transferencia de calor, la mezcla, la transferencia de masa, la evolución de gas, así como la estabilidad de la materia prima, la masa de reacción y los productos resultantes.

Por lo tanto, varias disciplinas diferentes están involucradas para afirmar la seguridad del proceso químico.

La respuesta corta es evitar incidentes y accidentes en la fase experimental o de fabricación. Por lo general, los productos se elaboran en plazos difíciles de cumplir con pequeñas cantidades de material y en condiciones extremas. Con el paso del tiempo, los procesos químicos se han vuelto más numerosos, las plantas más complejas, la química más pretenciosa y tóxica, y las condiciones de trabajo más peligrosas. Debido a eso, y a los accidentes que sucedieron, los organismos reguladores y la sociedad se volvieron más sensibles y adoptaron una mentalidad reguladora. Estas tendencias obligaron a las empresas a mejorar la seguridad general del proceso químico y a desarrollar conceptos que aseguraran unos procesos químicos y una fabricación de productos químicos intrínsecamente seguros. Un diseño inherentemente seguro evita los riesgos de origen químico en lugar de controlarlos.

Para asegurar un funcionamiento seguro y conforme, el proceso y los riesgos del proceso deben entenderse a la perfección.

Los rigurosos estudios sobre la seguridad del proceso químico no solo evitan las reacciones fuera de control, sino también que las plantas se dañen o se destruyan, que las personas se lesionen o que el medio ambiente se contamine.

El objetivo de los estudios sobre la seguridad del proceso químico es obtener una visión general de todos los posibles peligros, efectos y consecuencias. Incluye disciplinas como la seguridad del producto y el proceso, y la seguridad personal y ambiental. Se debe prestar la debida atención, gestión e investigación a cada una de las disciplinas anteriores para asegurar la fabricación segura de productos químicos a gran escala.

Las consecuencias de los incidentes y accidentes en plantas químicas pueden variar. Desde las menos graves como la pérdida de un lote o pequeños daños en la planta, hasta las más devastadoras, con empleados heridos o muertos, plantas muy dañadas o incluso destruidas, daños ambientales catastróficos y pérdidas de vidas humanas en un área circundante amplia. Los incidentes de ese orden de magnitud también tendrán un fuerte impacto en la reputación y la pérdida económica de la empresa.

Todo esto justifica la inversión en seguridad del proceso químico.

La seguridad del proceso químico emplea un marco con diferentes técnicas, tecnologías y modelos con lo que los científicos investigan la reacción química, las propiedades de los disolventes y los productos químicos usados, y los parámetros del proceso adecuados.

Las reacciones químicas, su progreso y la formación de productos secundarios e impurezas normalmente se controlan mediante parámetros, que incluyen la temperatura, el pH, la presión, las tasas de dosificación, la agitación, la mezcla, el tipo de disolvente, el catalizador, etc.

En el desarrollo de procesos, también deben tenerse en cuenta los parámetros adicionales, como la cinética de las reacciones químicas, la liberación máxima de calor, la acumulación de calor y de materia sin reaccionar, la transferencia de calor y masa, los cambios de viscosidad, la contaminación, la precipitación o la evolución de gases.

En consecuencia, el análisis de las reacciones deseadas y potencialmente no deseadas es más relevante para la seguridad del proceso químico y está sujeto a investigaciones exhaustivas.

La calorimetría se emplea para analizar el comportamiento término y las reacciones químicas. Mientras que la calorimetría de reacción se aplica para investigar la reacción deseada, la calorimetría diferencial de barrido (DSC) se usa normalmente para estudiar la reacción no deseada. La reacción secundaria es con frecuencia una descomposición de la masa de reacción o de los componentes que conducen a una reacción descontrolada en el peor de los casos.

Los calorímetros de reacción proporcionan información térmica, que incluye los perfiles de flujo de calor en función del tiempo o la dosificación, la liberación máxima de calor, la acumulación térmica, la acumulación de reactivos, la entalpía de reacción y los coeficientes de transferencia de calor. Las investigaciones de los procesos químicos en calorímetros de reacción también permiten descubrir dependencias de la reacción en la agitación y la mezcla. La combinación de la información del calorímetro de reacción con la información recopilada por el cribado térmico (por ejemplo, con la DSC) permite derivar protocolos de seguridad, como el gráfico fuera de control o la criticidad de una reacción.

La información completa obtenida de la calorimetría de reacción ayuda a los científicos a identificar y eliminar parámetros fundamentales o no escalables, con lo que se logra un alto nivel de seguridad en los procesos químicos.

En la calorimetría de reacción, se estudia un proceso químico en relación con la influencia de los parámetros de reacción y proceso sobre el progreso de la reacción, la velocidad de reacción, la liberación de calor según el tiempo o la dosis, la liberación máxima de calor, la influencia de acumulación de energía y reactivo o la transferencia de masa y calor.

Mientras se ejecuta una reacción química en condiciones similares a las de los procesos, la cantidad de energía liberada o absorbida se determina en función del tiempo y se registra junto con otros datos del proceso.

RC1mx admite diferentes métodos para medir el calor de la reacción. Por ejemplo, la técnica probada de flujo de calor en la que el comportamiento de transferencia de calor en función del tiempo se determina mediante una calibración del coeficiente de transferencia de calor o RTCal (que mide y presenta el flujo de calor on-line y en tiempo real).

Independientemente del método usado, los algoritmos especiales aseguran que el calor de la reacción se mida con exactitud y precisión, independiente de la configuración del reactor, en todas las condiciones experimentales, incluidas:

• las condiciones de temperatura isotérmica,
• las condiciones de temperatura no isotérmica,
• la adición de reactivos fríos y calientes.

Para estudios exhaustivos sobre seguridad del proceso químico, los calorímetros de reacción se usan para obtener detalles de la reacción investigada, incluidos:

• la influencia del cambio de comportamiento de la mezcla,
• las reacciones secundarias o consecutivas,
• la capacidad calorífica específica,
• la evaporación o evolución del gas.

Individualmente o como una estación de trabajo integrada de química, estas herramientas proporcionan la asistencia necesaria para mejorar la seguridad del proceso químico:

• Reactores de síntesis química
  Las estaciones de trabajo de síntesis automatizadas permiten hacer experimentos sin supervisión con un control preciso de las condiciones de reacción y los datos recopilados de cada experimento, durante todo el día.
   

• Calorímetros de reacción
  Cribado de reacciones a pequeña escala, identificación de condiciones no escalables, exploración de los parámetros del proceso para la ampliación y evaluación de los riesgos y la criticidad de los procesos. La gama de calorimetría de reacción disponible admite el desarrollo de procesos seguros, económicos y ecológicos.
  
  
• Espectrómetros FTIR y Raman
  El control continuo permite a los usuarios visualizar los componentes a lo largo del tiempo para obtener un ‘vídeo molecular’ de la reacción. El seguimiento y la determinación de perfiles en tiempo real de especies de reacciones clave en función del tiempo de reacción ayuda en la cinética y las investigaciones mecánicas.
  
  
• Software iC
  Transforme los datos experimentales en importantes conocimientos sobre los procesos e integre flujos de datos para una comprensión profunda y una gestión de datos. iC DataCenter recopila todos los datos experimentales de forma segura y permite preparar y compartir datos entre la organización para ayudar a desarrollar el conocimiento institucional.

La seguridad del proceso químico y las aplicaciones relacionadas se mencionan en muchas publicaciones. A continuación, se muestran algunas obras destacadas:

• 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 y 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, y 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, y 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