化学工艺安全性

在大规模制造化学品与药品期间，化学工艺安全性侧重于防止事件与事故发生。 即：防止在化学反应期间，或者由于反应失控，造成具有潜在危险性的材料与能源意外排放至环境中。

在化学行业，工艺安全性事件由于不同原因所致，例如：

• 缺失信息
• 操作人员培训不足
• 技术缺陷
• 人为失误
• 一系列不幸的巧合

故障、人为失误、不了解化学以及所有可能发生的副反应、不了解工艺及其参数，这些是事件或事故发生的最常见原因。

识别和了解危害与风险，以及进行充分的风险分析，这些可评估造成分解的风险，以及避免失去对反应的控制。

化学工艺安全性是对放大生产与制造进行全面安全评估的一部分，因此必须将其视为企业文化与方针的一份子。 化学工艺安全性从属的方针亦称作“HSE”或“SHE”方针，包含在许多监管机构的指令中。

化学工艺安全性采用的是由不同方法、技术与模型组成的框架，需要了解所需以及非所需的反应。 其中包括研究热事件、热传递、混合、传质、气体逸出以及原料、反应质量与生成产物的稳定性。

因此，为确保化学工艺安全性，采用许多不同的专业。

简要的答案是在中试或生产阶段避免事故发生。 通常产品是在时间紧、材料少以及极端条件下开发而成。 多年来，化学工艺层出不穷，工厂日益复杂，化学物质毒性更强，操作条件更加危险。 由于这种原因以及发生的事故，监管机构与社会变得更加敏感，并且增强了对法规的意识。 这些趋势迫使企业提高化学工艺的总体安全性，以及形成确保本安型化学工艺与化学品制造过程的理念。 本质安全设计可避免化学危害，而不是被动地控制。

为确保安全与合规操作，必须清晰地了解工艺与工艺风险。

对化学工艺安全性进行详细研究，不仅可防止反应失控，而且可防止工厂受损、人员受伤以及环境污染。

化学工艺安全性研究旨在概括了解所有潜在危险、影响与后果。 其中包括产品与工艺安全、人员以及环境安全等领域。 必须对上述各个领域给予适当的关注、管理与研究，以确保大规模安全生产化学品。

化工厂内发生事故的后果可重可轻，轻者造成批次损失或者工厂轻微受损，重者造成灾难性后果：员工伤亡、工厂严重损坏、造成灾难性环境损害以及造成更广泛的周边区域人员伤亡。 这种量级的事故还会对企业的声誉产生影响，并且会造成经济损失。

所有这些证明了对化学工艺安全性进行投入的必要性。

化学工艺安全性采用的是由不同方法、技术与模型组成的框架，科学家在其中研究化学反应、使用的溶剂与化学品的物性以及适合的工艺参数。

化学反应及其进度以及副产物与杂质的形成通常由参数控制，包括温度、pH、压力、加样速率、搅拌、混合、溶剂类型、催化剂等等。

在工艺开发过程中，还需要考虑其他参数，例如：化学反应动力学、最大排热量、热量与未反应物料积聚、热传递与传质、粘度变化、结垢、沉淀与气体逸出等。

因此，分析目标与非目标反应对于化学工艺安全性最为相关，需要进行充分研究。

量热法用于分析化学反应的热行为。 尽管利用反应量热法对所需反应进行研究，但是通常利用差示扫描量热法（DSC）研究非目标反应。 二次反应通常是反应物质或组分分解，在最坏情况下，这会导致反应失控。

反应量热仪 可提供热学信息，包括热流分布与时间或加样、最大排热量、热积聚、反应物积聚、反应焓、热传递系数的关系。 利用反应量热仪研究化学工艺还可发现反应对于搅拌与混合的依赖性。 将反应量热仪信息同通过热筛选（例如：使用DSC）采集到的信息相结合，还可形成安全方案，例如：失控图或反应的危险性。

通过反应量热法获得的详细信息有助于科学家识别和消除临界或不可扩展的参数，从而确保高度化学工艺安全性。

在反应量热法中，对化学工艺中反应与工艺参数对于反应进程的影响、反应速率、取决于时间或剂量的排热量、最大排热量、能量与反应物的积聚影响或者传质与热传递进行研究。

当在与工艺类似的条件下进行化学反应时，排放或吸收的能量数量根据时间进行确定，并且连同其他工艺数据一起记录。

RC1mx支持测量反应热量的不同方法。 例如：证明有效的热流测量方法（通过校准热传递系数确定热传递行为与时间的关系）或者RTCal（在线和实时测量与呈现热流）。

无论采用哪种方法，特殊的算法均可精确测量反应热量，这些方法不受反应器结构的限制，可在所有实验条件下进行，包括：

• 等温温度条件
• 非等温温度条件
• 添加冷热反应物

进行全面的化学工艺安全性研究时，利用反应量热仪获取关于被研究反应的详细信息，包括：

• 改变混合行为的影响性
• 副反应或连续反应
• 改变热容
• 蒸发或气体逸出

下列工具可单独使用或作为集成化学工作站使用，能为提高化学工艺安全性提供重要支持：

• 化学合成反应器
  自动化合成工作站可始终自动进行实验，并且可精确控制反应条件以及从每次实验中采集到的数据。
   

• 反应量热仪
  筛选小规模反应、识别无法扩展的条件、了解用于放大生产的工艺参数以及评估工艺的风险与危险性。 可用的反应量热法支持开发安全、经济以及环保型工艺。
  
  
• FTIR与拉曼光谱仪
  连续监测允许用户不断了解组分的趋势，从而形成反应的“分子视频”。 可实时追踪和分析关键反应组分随着反应时间推移而发生的变化，以协助进行动力学和机理研究
  
  
• iC软件
  将实验数据转化为关于工艺的重要知识以及整合数据流，实现全面了解和数据管理。iC DataCenter可安全捕获所有实验数据，并且允许机构之间准备和分享数据，帮助机构积累知识。

许多出版物中提及到化学工艺安全性与相关应用。 以下是一些亮点：

• 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