Varnost kemijskih procesov

Varnost kemijskih procesov je usmerjena v preprečevanje neželenih dogodkov in nesreč med obsežno proizvodnjo kemičnih snovi ter farmacevtskih izdelkov – zlasti v povezavi z nenamernim sproščanjem potencialno nevarnih materialov in energije v okolje med kemijsko reakcijo ali zaradi pobega reakcije.

V kemični industriji pride do neželenih dogodkov, povezanih z varnostjo procesa, iz različnih razlogov, in sicer zaradi:

• manjkajočih informacij,
• nezadostne usposobljenosti upravljavca,
• tehničnih napak,
• človeških napak,
• verige nesrečnih naključij.

Okvare, človeške napake in pomanjkanje popolnega razumevanja kemije, vključno z vsemi možnimi stranskimi reakcijami procesa ter njegovih parametrov, so med najpogostejšimi razlogi, zaradi katerih se zgodijo neželeni dogodki ali nesreče.

Prepoznavanje in razumevanje nevarnosti ter tveganj skupaj s temeljito analizo tveganja omogočajo oceno tveganja za sprožitev razgradnje in preprečujejo izgubo nadzora nad reakcijo.

Varnost kemijskih procesov je del celovite ocene varnosti za povečanje obsega in proizvodnjo, zato jo je treba obravnavati kot del kulture ter politike podjetja. Smernica, pod katero spada varnost kemijskih procesov, je znana tudi kot »HSE« ali »SHE« in je del direktive številnih regulativnih organov.

Varnost kemijskih procesov uporablja nabor različnih tehnik, tehnologij in modelov ter zahteva razumevanje želenih in potencialno neželenih reakcij, ki so mogoče med procesom. To vključuje raziskovanje toplotnih dogodkov, prenosa toplote, mešanja, prenosa mase in razvoja plina ter stabilnosti vhodne snovi, reakcijske mase in nastalih produktov.

Tako se za zagotavljanje varnosti kemijskih procesov uporablja več različnih disciplin.

Izvajanje učinkovitih ukrepov za varnost kemijskih procesov preprečuje neželene dogodke in nesreče na pilotni ali proizvodni ravni. Običajno se izdelki razvijajo v tesnih časovnih okvirjih z majhnimi količinami materiala in v skrajnih pogojih. Skozi leta so kemijski procesi postali številčnejši, obrati bolj zapleteni, kemija bolj ambiciozna in strupena, obratovalni pogoji pa nevarnejši. Zaradi teh razlogov in zaradi pojavljanja resnih nesreč so regulativni organi ter celotna družba postali bolj ozaveščeni glede varnosti. Ti trendi so prisilili podjetja, da izboljšajo splošno varnost kemijskih procesov in razvijejo koncepte, ki zagotavljajo same po sebi varne kemijske procese ter proizvodnjo. Sama po sebi varna zasnova prepreči kemijske nevarnosti, namesto da jih nadzira.

Za zagotovitev varnega in skladnega delovanja je treba razumeti proces ter njegova tveganja.

Temeljite študije varnosti kemijskih procesov ne preprečujejo le pobega reakcij, temveč tudi škodo ali uničenje obratov, telesne poškodbe ali izgubo življenj in/ali degradacijo oziroma onesnaževanje okolja.

Namen takšnih študij je pridobiti pregled vseh potencialnih nevarnosti, učinkov in posledic. Vključuje discipline, kot so varnost izdelkov in procesov, osebna varnost ter varnost okolja. Vsaka od zgornjih disciplin potrebuje ustrezno pozornost, upravljanje in preiskovanje, s čimer se zagotavlja varnost pri obsežni proizvodnji kemičnih snovi.

Varnost kemijskih procesov uporablja nabor različnih tehnik, tehnologij in modelov, s katerimi znanstveniki raziskujejo kemijsko reakcijo, lastnosti uporabljenih topil ter kemičnih snovi in ustrezne procesne parametre.

Kemijske reakcije, njihov napredek in nastajanje stranskih produktov ter nečistoč se običajno nadzira z manipulacijo parametrov, kot so temperatura, pH, tlak, stopnje doziranja, mešanje, vrsta topila, katalizator itd.

Pri razvoju procesa je treba upoštevati tudi dodatne parametre, kot so kinetika kemijske reakcije, največje sproščanje toplote, akumulacija toplote in nereagiranega materiala, prenos toplote in mase, spremembe viskoznosti, gnitje, obarjanje ali razvoj plina.

Posledično je analiza želenih in potencialno neželenih reakcij najpomembnejša za varnost kemijskih procesov ter je predmet temeljitih raziskav.

Kalorimetrija se uporablja za analizo toplotnega obnašanja kemijskih reakcij. Medtem ko se reakcijska kalorimetrija uporablja za raziskovanje želene reakcije, se diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC) običajno uporablja za preučevanje neželene reakcije. Sekundarna reakcija je pogosto razgradnja reakcijske mase ali njenih komponent, kar v najslabšem primeru povzroči pobeg reakcije.

Reakcijski kalorimetri zagotavljajo toplotne informacije, vključno s profili toplotnega toka v odvisnosti od časa ali doziranja, največjim sproščanjem toplote, akumulacijo toplote, akumulacijo reaktantov, reakcijsko entalpijo in koeficienti prenosa toplote. Raziskovanje kemijskih procesov v reakcijskih kalorimetrih znanstvenikom prav tako omogoča, da odkrijejo odvisnosti reakcije od mešanja. Kombinacija informacij iz reakcijskega kalorimetra in informacij, zbranih s toplotnim pregledovanjem (npr. z DSC), omogoča izpeljavo varnostnih protokolov, kot sta graf pobega ali kritičnost reakcije.

Obsežne informacije, pridobljene z reakcijsko kalorimetrijo, znanstvenikom pomagajo pri prepoznavanju in odpravljanju kritičnih ali nenadgradljivih parametrov, s čimer se doseže visoka raven varnosti kemijskih procesov.

V reakcijski kalorimetriji preučujemo kemijski proces na podlagi vpliva reakcijskih in procesnih parametrov na potek, hitrost reakcije, sproščanje toplote glede na čas ali doziranje, največje sproščanje toplote, vpliv akumulacije energije in reaktanta ali prenos mase in toplote.

Med izvajanjem kemijske reakcije v procesnih pogojih se količina sproščene ali absorbirane energije določi v odvisnosti od časa in zabeleži skupaj z drugimi podatki o procesu.

RC1mx podpira različne metode za merjenje toplote reakcije. Te na primer vključujejo preizkušeno tehniko toplotnega pretoka, pri kateri se vedenje prenosa toplote v odvisnosti od časa določi s kalibracijo koeficienta toplotnega prenosa ali RTCal (tehnika, ki meri in prikazuje toplotni tok v omrežju ter v realnem času).

Prilagojeni algoritmi neodvisno od uporabljene metode zagotavljajo točno in natančno merjenje toplote reakcije – neodvisno od nastavitve reaktorja ter v vseh preskusnih pogojih, vključno z:

• izotermičnimi temperaturnimi pogoji,
• neizotermičnimi temperaturnimi pogoji,
• dodajanjem hladnih in vročih reaktantov.

Za temeljite študije varnosti kemijskih procesov se z reakcijskimi kalorimetri pridobijo podrobnosti o raziskovani reakciji, vključno z:

• vplivom spreminjanja načina mešanja,
• stranskimi ali zaporednimi reakcijami,
• spreminjanjem toplotnih kapacitet,
• izhlapevanjem ali razvojem plina.

Ta orodja posamično ali kot integrirana kemijska delovna postaja zagotavljajo ključno podporo za boljšo varnost kemijskih procesov:

• Reaktorji za kemijsko sintezo
  Avtomatizirane delovne postaje za sintezo omogočajo poskuse brez nadzora z natančnim nadzorom reakcijskih pogojev in zbiranjem podatkov za vsak poskus podnevi ter ponoči.
   

• Reakcijski kalorimetri
  Reakcijski kalorimetri omogočajo pregledovanje reakcij v majhnem obsegu, prepoznavanje nenadgradljivih pogojev, raziskovanje procesnih parametrov za povečanje obsega ter ocenjevanje tveganj in kritičnosti procesov, kar podpira razvoj varnih, ekonomičnih ter ekoloških procesov.
  
  
• FTIR in ramanski spektrometri
  Neprekinjeno spremljanje uporabnikom omogoča, da spremljajo trend komponent v daljšem časovnem obdobju za »molekularni videoposnetek« reakcije. Sledenje in profiliranje ključnih reakcijskih vrst v realnem času v odvisnosti od reakcijskega časa, ki ju omogočajo spektrometri, pomaga pri kinetičnih ter mehaničnih raziskavah.
  
  
• iC Software
  Pretvori podatke poskusa v pomembno procesno znanje in integrira tokove podatkov za celovito razumevanje ter upravljanje podatkov. iC DataCenter varno zajame vse podatke poskusa in omogoči pripravo ter izmenjavo podatkov znotraj organizacije, kar pripomore k izboljšanju institucionalnega znanja.

Varnost kemijskih procesov in z njo povezane uporabe omenjajo številne publikacije. Spodaj je nekaj poudarkov:

• 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 in 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 in 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 in 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