Evite riesgos de explosión y peligros de reacciones químicas

Una explosión es un rápido aumento del volumen y la liberación de energía de una manera extrema, normalmente la generación de temperaturas altas y la liberación de gases. Las explosiones en  las plantas químicas deben evitarse a toda costa. Existen dos causas  principales de explosiones durante un proceso químico:

• El material es energéticamente inestable y tiene propiedades explosivas. Un exhaustivo estudio sobre la seguridad del proceso identificará si los materiales son sensibles a los golpes, la fricción, el calor, etc., y si pueden dictar procedimientos especiales para un uso seguro.
• El proceso podría conllevar la generación de gas o calor sin control (lo que provocaría la liberación de vapor inflamable) o una sobrepresurización del reactor (que llevaría a una ruptura y a la pérdida de contenido), que puede resultar inflamable.

Con el fin de evitar el riesgo de generación de calor sin control, es imprescindible que se estudie el proceso mediante un calorímetro de reactor para determinar el calor de reacción (entalpía) y la velocidad de liberación, para así poder diseñar un proceso que minimice el riesgo de pérdida de control.

La acumulación suele afectar al material que se dosifica durante una reacción semidiscontinua que no se produce de inmediato.  La concentración de este material se acumula y supone un peligro si la reacción empieza a ejecutarse a una mayor velocidad, o si hay un fallo de refrigeración. La acumulación se puede medir mediante un calorímetro de reacción para determinar la velocidad a la que se produce el calor y compararla con la velocidad de la adición. Asimismo, es posible usar los análisis in situ para medir directamente la concentración del reactivo sin reaccionar.

Cuando se estudia la seguridad de un proceso, es esencial confirmar si se está produciendo gas y en qué circunstancias. En algunos casos, como la descarboxilación que libera CO₂, esta constituye una parte evidente y esperada del proceso.  En otros casos,  como a la aparición de embalamiento térmico durante la nitración, la producción de gas puede deberse a una reacción colateral inesperada o a una descomposición. La evolución de gas inesperada puede provocar rápidamente la sobrepresurización del equipo, con el riesgo de pérdida de confinamiento o incluso ruptura en la planta, lo que tendría unas consecuencias catastróficas.

La medición de la evolución de gas es una parte fundamental de las investigaciones de seguridad de procesos en el laboratorio, y el calorímetro de reacción puede contar fácilmente con un medidor o un sistema de sensor para detectar de forma cuantitativa el tiempo y la velocidad de la evolución de gas y, de esta manera, poder llevar a cabo una provisión adecuada a escala.

Cuando un líquido se evapora, requiere una cantidad significativa de energía que cambiar desde la fase líquida a la gaseosa. Esto se conoce como el latente calor de evaporación. Este fenómeno suele usarse durante la fabricación de productos químicos a gran escala para ayudar a eliminar el calor del sistema. De este modo, se reducen los costes y se aumenta la seguridad del proceso. Por ello, es una práctica habitual operar, al menos, parte de un proceso por lotes bajo condiciones de reflujo para maximizar la velocidad de reacción además de mantener un proceso seguro y eficaz. El funcionamiento de un calorímetro de reacción bajo condiciones de reflujo requiere especial atención para capturar el calor que se retira en el condensador de reflujo, así como para garantizar que se conserva todo el balance de energía del proceso incluso en condiciones de reflujo.

En este artículo se evalúan las siguientes preguntas acerca de la acumulación térmica a través de casos prácticos procedentes tanto del laboratorio como de la planta:

• ¿Por qué y cuándo se produce la acumulación térmica?
• ¿Es importante tener en cuenta la acumulación térmica? ¿Cómo es de grande?
• ¿Cuál es el impacto de un cálculo incorrecto de la acumulación térmica?

Las reacciones autocatalíticas tienden a comenzar muy lentamente y, luego, de repente, aumentan la velocidad debido a la formación de compuestos catalíticos o productos intermedios. Esto puede resultar extremadamente peligroso a gran escala, ya que puede dar lugar a la rápida producción de grandes cantidades de calor que el sistema de refrigeración no puede eliminar. Es extremadamente importante saber de antemano si un sistema muestra un comportamiento autocatalítico, de modo que el proceso puede diseñarse adecuadamente. El calorímetro de reacción permite la medición directa de la velocidad de producción de calor, y el análisis in situ puede proporcionar más información acerca de la velocidad a la que se produce la reacción.

La iniciación es el punto en el que comienza la reacción química, y no necesariamente cuando se mezclan los reactivos. En algunos casos, la iniciación solo se produce una vez transcurrido un determinado periodo de tiempo (durante la autocatálisis), cuando se ha consumido un material inhibidor o cuando se ha alcanzado una determinada temperatura (durante una reacción no isotérmica o una descomposición). La existencia de un periodo de iniciación no quiere decir necesariamente que la reacción sea peligrosa, sino que es extremadamente importante que los parámetros del evento (hora, duración, etc.) se comprendan correctamente para evitar condiciones peligrosas. Por ejemplo, las reacciones de Grignard suelen sufrir un retraso en la iniciación, y es importante no añadir demasiado haluro al reactor antes de que se haya iniciado la iniciación. De lo contrario, existe un alto riesgo de acumulación y embalamiento.

Descubra cómo la calorimetría de reacción permite a los científicos cribar las condiciones rápidamente y escalar de forma segura, sin necesidad de grandes volúmenes de pruebas. He aquí algunos ejemplos presentados:

• Detección de la liberación de calor durante el cambio de temperatura
• Conocimiento del efecto de la acumulación de calor
• Cribado para detectar problemas de escalabilidad a pequeña escala
• Eliminación de riesgos de reacciones en cadena 

La deflagración se produce cuando un material sólido, como un recipiente para reactores o contenedor de almacenamiento, sufre una reacción de descomposición autosuficiente que libera cantidades significativas de energía (calor).  Básicamente, la deflagración es una combustión, pero puede darse cuando no hay oxígeno procedente de la atmósfera. La deflagración difiere de la detonación, principalmente, en lo que respecta a la velocidad de la reacción; la detonación se produce a una velocidad supersónica, y la deflagración, a una velocidad subsónica. Durante un proceso químico, se debe evitar la deflagración a toda costa. Los estudios de seguridad de procesos químicos siempre deben incluir una evaluación de la sensibilidad del material a la deflagración (y explosión), así como el conocimiento de las temperaturas que se deben alcanzar durante el proceso, sobre todo en casos de alteraciones del proceso o fallos de refrigeración.

El sistema de calentamiento y refrigeración del calorímetro de reacción RC1 se basa en la circulación del fluido de transferencia de calor con una alta velocidad y una gran cantidad de petróleo previamente refrigerado. Aunque la alta velocidad garantiza la respuesta rápida a los cambios de temperatura, el depósito con el petróleo previamente refrigerado garantiza la refrigeración instantánea en caso de una gran reacción exotérmica o emergencia. Junto con los algoritmos que garantizan la mayor precisión de cálculo, el termostato está diseñado para responder rápidamente a las cambiantes condiciones en el reactor para mantener la temperatura deseada de forma exacta.

El sistema de control de temperatura de los calorímetros de reacción EasyMax y OptiMax usa el concepto de tecnología de refrigeración de estado sólido basada en Peltier y calentamiento eléctrico. Tanto el calentamiento como la refrigeración son procesos extremadamente rápidos debido al diseño compacto del termostato, y permite que el sistema alcance temperaturas por debajo de los 0 °C sin necesidad de usar un criostato. Como resultado del diseño, los requisitos de espacio son mínimos.