Sichere chemische Prozesse

Bei der chemischen Prozesssicherheit geht es vor allem um die Vermeidung von Zwischenfällen und Unfällen während der Massenherstellung von Chemikalien und Pharmazeutika. Dies gilt für die versehentliche Freisetzung von potenziell gefährlichen Stoffen und Energie in die Umgebung, entweder bei einer chemischen Reaktion oder durch thermisches Durchgehen.

In der chemischen Industrie treten Zwischenfälle aus unterschiedlichen Gründen aus, darunter:

• Fehlende Informationen
• Unzureichende Bedienerschulung
• Technische Mängel
• Menschliche Fehler
• Verkettung unglücklicher Umstände

Fehlfunktionen, menschliche Fehler und ein mangelhaftes Verständnis der Chemie mit allen möglichen Nebenreaktionen bzw. des Prozesses und seiner Parameter gehören zu den häufigsten Ursachen für Zwischenfälle und Unfälle.

Durch die Identifizierung und das Verständnis der Gefahren und Risiken in Kombination mit einer gründlichen Risikoanalyse kann das Risiko, dass ein Zerfall ausgelöst und die Kontrolle über die Reaktion verloren geht, bewertet werden.

Die chemische Prozesssicherheit ist Teil einer umfassenden Sicherheitsbewertung für die Skalierung und Produktion und sollte daher als Teil der Unternehmenskultur und -richtlinie betrachtet werden. Die chemische Prozesssicherheit fällt unter die Richtlinie „HSE“ bzw. „SHE“ und ist auch in den Vorgaben viele Regulierungsbehörden enthalten.

Die chemische Prozesssicherheit basiert auf unterschiedlichen Techniken, Technologien und Modellen und setzt das Verständnis der gewünschten und potenziell unerwünschten Reaktionen voraus. Dazu gehört die Untersuchung thermischer Ereignisse, des Wärmeaustauschs, des Mischvorgangs, des Massentransfers, der Gasbildung und der Stabilität des Ausgangsmaterials, der Reaktionsmasse und der Endprodukte.

Die chemische Prozesssicherheit umfasst also eine Reihe unterschiedlicher Disziplinen.

Die kurze Antwort ist die Vermeidung von Zwischenfällen und Unfällen auf Pilot- oder Produktionsebene. In der Regel werden Produkte in engen Zeiträumen mit einer geringen Menge an Material und unter extremen Bedingungen entwickelt. Im Laufe der Jahre ist die Anzahl der chemischen Prozesse gestiegen, Anlagen sind komplexer geworden, Chemikalien sind anspruchsvoller und giftiger geworden und die Betriebsbedingungen sind gefährlicher geworden. Aus diesem Grund und aufgrund von Unfällen in der Vergangenheit sind Regulierungsbehörden und die Gesellschaft wachsamer geworden und achten verstärkt auf Vorschriften. Diese Trends zwangen Unternehmen zur Verbesserung ihrer allgemeinen chemischen Prozesssicherheit sowie zur Entwicklung von Konzepten für vollkommen sichere chemische Prozesse und eine sichere Produktion von Chemikalien. Durch sichere Prozesse werden chemische Gefahren nicht kontrolliert, sondern von vornherein verhindert.

Zur Sicherstellung eines sicheren und konformen Betriebs ist ein vollständiges Verständnis des Prozesses und der Prozessrisiken unerlässlich.

Gründliche Studien zur chemischen Prozesssicherheit verhindern nicht nur thermisches Durchgehen, sondern auch Beschädigung oder Zerstörung von Anlagen, Verletzungen von Mitarbeitern oder Umweltverschmutzungen.

Mit Studien zur chemischen Prozesssicherheit gewinnen Sie eine Übersicht über potenzielle Gefahren, Effekte und Folgen. Dazu gehören Disziplinen wie Produkt- und Prozesssicherheit, Mitarbeiter und Umweltsicherheit. Für eine sichere Massenproduktion von Chemikalien muss jede dieser Disziplinen mit der nötigen Aufmerksamkeit und Sorgfalt behandelt werden.

Zwischenfälle und Unfälle in Chemieanlagen können geringfügige Folgen wie den Verlust einer Charge oder geringfügige Schäden an der Anlage oder katastrophale Folgen wie Verletzungen oder Tod von Mitarbeitern, schwer beschädigte oder sogar zerstörte Anlagen, katastrophale Umweltschäden und menschliche Opfer in der Umgebung haben. Unfälle dieses Schweregrads wirken sich auch stark auf den Ruf des betroffenen Unternehmens aus und ziehen schwere finanzielle Verluste nach sich.

Aus all diesen Gründen lohnt sich die Investition in die chemische Prozesssicherheit.

Die chemische Prozesssicherheit basiert auf unterschiedlichen Techniken, Technologien und Modellen, in denen Wissenschaftler die chemische Reaktion, die Eigenschaften der verwendeten Lösungsmittel und Chemikalien sowie die geeigneten Prozessparameter untersuchen.

Chemische Reaktionen, ihr Fortschritt und die Bildung von Nebenprodukten und Verunreinigungen werden in der Regel durch Parameter wie unter anderem Temperatur, pH-Wert, Druck, Dosierraten, Rühren, Mischen, Lösungsmitteltyp, Katalysator kontrolliert.

In der Prozessentwicklung werden auch weitere Parameter wie chemische Reaktionstechnik, maximale Wärmeabgabe, Ansammlung von Wärme und nicht reagiertem Material, Wärme- und Massentransfer, Änderung der Viskosität, Ablagerung, Fällung oder Gasbildung berücksichtigt.

Die Analyse der gewünschten und potenziell unerwünschten Reaktionen ist daher besonders relevant für die chemische Prozesssicherheit und diese Reaktionen werden gründlichen Untersuchungen unterzogen.

Zur Analyse des thermischen Verhaltens von chemischen Reaktionen wird die Kalorimetrie eingesetzt. Während die Reaktionskalorimetrie zur Untersuchung der gewünschten Reaktion eingesetzt wird, dient die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) in der Regel zur Untersuchung der unerwünschten Reaktion. Bei der Sekundärreaktion handelt es sich häufig um eine Zersetzung der Reaktionsmasse oder der darin enthaltenen Komponenten, was im schlimmsten Fall zu thermischem Durchgehen führen kann.

Reaktionskalorimeter liefern thermische Informationen, einschliesslich Wärmestromprofile basierend auf Zeit oder Dosierung, maximale Wärmeabgabe, Wärmeansammlung, Ansammlung von Reaktanten, Reaktionsenthalpie und Wärmetransferkoeffizienten. Durch die Untersuchung von chemischen Prozessen in Reaktionskalorimetern kann auch aufgeklärt werden, ob und inwiefern die Reaktion von Rühr- und Mischvorgängen abhängig ist. Indem die Informationen des Reaktionskalorimeters mit den beim thermischen Screening (z. B. mit DSC) gewonnen Informationen kombiniert werden, können Sicherheitsprotokolle wie ein Graph zum thermischen Durchgehen oder die Kritikalität einer Reaktion abgeleitet werden.

Anhand der umfassenden Informationen der Reaktionskalorimetrie können Wissenschaftler kritische oder nicht skalierbare Parameter erkennen und eliminieren, wodurch die chemische Prozesssicherheit verbessert wird.

Bei der Reaktionskalorimetrie wird ein chemischer Prozess im Hinblick auf den Einfluss der Reaktions- und Prozessparameter auf den Reaktionsfortschritt, die Reaktionsgeschwindigkeit, die Wärmeabgabe abhängig von Zeit oder Dosierung, die maximale Wärmeabgabe, die Ansammlung von Energie und Reaktant oder den Massen- und Wärmetransfer untersucht.

Während eine chemische Reaktion unter prozessähnlichen Bedingungen abläuft, wird die Menge der abgegebenen oder aufgenommenen Energie in Abhängigkeit der Zeit gemessen und gemeinsam mit weiteren Prozessdaten aufgezeichnet.

Das RC1mx unterstützt verschiedene Methoden zur Messung der Reaktionswärme. Ein Beispiel hierfür ist die bewährte Wärmestromtechnik, bei der der Wärmetransfer als Funktion der Zeit durch eine Kalibrierung des Wärmetransferkoeffizienten oder RTCal (der den Wärmestrom online und in Echtzeit misst und darstellt) bestimmt wird.

Unabhängig von der verwendeten Methode gewährleisten spezielle Algorithmen die genaue und präzise Messung der Reaktionswärme. Dies gilt unabhängig von der Reaktorkonfiguration und für sämtliche Experimentbedingungen, einschliesslich:

• Isotherme Temperatur
• Nicht isotherme Temperatur
• Zugabe von kalten und heissen Reaktanten

Zur eingehenden Untersuchung der chemischen Prozesssicherheit ermitteln Reaktionskalorimeter Details der untersuchten Reaktion, einschliesslich:

• Einfluss wechselnder Mischbedingungen
• Neben- oder Folgereaktionen
• Wechselnde Wärmekapazitäten
• Verdunstung oder Gasbildung

Diese Werkzeuge bieten einzeln oder als integrierte chemische Arbeitsstation entscheidende Unterstützung für bessere chemische Prozesssicherheit:

• Reaktoren für die chemische Synthese
  Automatische Synthesearbeitsstationen ermöglichen unbeaufsichtigte Experimente mit präziser Kontrolle der Reaktionsbedingungen und lückenloser Datenerfassung bei jedem Experiment rund um die Uhr.
   

• Reaktionskalorimeter
  Durch das Screening von Reaktionen auf kleiner Ebene und die Identifizierung von nicht skalierbaren Bedingungen werden die geeigneten Prozessparameter für die Skalierung ermittelt und die Risiken und die Kritikalität von Prozessen bewertet. Da eine grosse Auswahl an Reaktionskalorimetrien verfügbar ist, können sichere, wirtschaftliche und umweltfreundliche Prozesse entwickelt werden.
  
  
• FTIR- und Raman-Spektrometer
  Durch die kontinuierliche Überwachung können Bediener Trends von Komponenten als Funktion der Zeit in einem „molekularen Video“ der Reaktion darstellen. Die Echtzeit-Verfolgung und Profilierung wichtiger Reaktionsmerkmale in Abhängigkeit von der Reaktionszeit unterstützt kinetische und mechanistische Untersuchungen.
  
  
• iC-Software
  Verwerten Sie Experimentdaten zu wichtigen Prozesserkenntnissen und integrieren Sie Datenströmen für ein lückenloses Verständnis und die Datenverwaltung. iC DataCenter erfasst sämtliche Experimentdaten sicher und ermöglicht die Aufbereitung und Übermittlung von Daten im gesamten Unternehmen, sodass eine gemeinsame Wissensbasis geschaffen wird.

Die chemische Prozesssicherheit und verwandte Anwendungen werden in zahlreichen Veröffentlichungen behandelt. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Beispiele aufgeführt:

• 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, S. 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, S. 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, S. 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, S. 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), S. 6093 – 6104