Evite Riscos e Perigos de Explosão de Reações Químicas

Uma explosão é um rápido aumento no volume e na liberação de energia de maneira extrema, geralmente com a geração de altas temperaturas e liberação de gases. Explosões em  uma planta química precisam ser evitadas a todo custo. Há duas principais  causas de explosões durante um processo químico:

• O material é energeticamente instável e tem propriedades explosivas. Um estudo de segurança abrangente do processo identificará se os materiais são sensíveis a choques, fricção, calor, etc., e pode ditar procedimentos especiais para manuseio seguro.
• O processo pode levar à geração descontrolada de calor ou gás, resultando em um escape de vapor inflamável, ou uma sobrepressurização do reator, levando à ruptura e perda de teores, que podem ser inflamáveis.

Para evitar o risco de geração de calor descontrolada, é imperativo que o processo seja estudado usando um Calorímetro de Reação para determinar o Calor de Reação (entalpia) e a taxa de liberação de calor, para que um processo possa ser projetado para minimizar risco de perda de controle.

A acumulação refere-se geralmente ao material a ser dosado durante uma reação em semibatelada que não reage imediatamente.  A concentração deste material é acumulada e representa um risco se a reação começar a ser executada a um ritmo mais rápido ou se houver uma falha na refrigeração. A acumulação pode ser medida usando um Calorímetro de Reação para determinar a taxa na qual o calor é produzido e como isso se compara à taxa de adição. Também é possível usar a análise in situ para medir diretamente a concentração do reagente que não reagiu.

Quando um processo está sendo estudado em busca de segurança, é essencial confirmar se está sendo produzido gás e sob que circunstâncias. Em alguns casos, tais como descarboxilação com liberação de CO₂, esta é uma óbvia e esperada parte do processo.  Em outros casos,  tais como no desencadeamento do descontrole durante a nitração, a produção de gás pode ser devido a uma reação lateral ou decomposição inesperada. A evolução inesperada do gás pode levar rapidamente à pressurização excessiva do equipamento, com risco de perda de contenção ou até de ruptura da planta, com consequências catastróficas.

A medição da evolução do gás é uma parte crucial das investigações de segurança do processo em escala de laboratório, e o Calorímetro de Reação pode ser facilmente equipado com um medidor ou sistema de sensor para detectar quantitativamente o tempo e a taxa de evolução do gás, para que haja provisão adequada em escala.

Quando um líquido evapora, ele requer uma quantidade significativa de energia para mudar da fase líquida para a fase de vapor. Isso é conhecido como o calor latente de evaporação. Esse fenômeno é frequentemente usado durante a fabricação de produtos químicos em grande escala para ajudar a remover o calor do sistema e, assim, reduzir os custos e aumentar a segurança do processo. Tornou-se prática comum operar pelo menos parte de um processo descontínuo sob condições de refluxo, a fim de maximizar a taxa de reação enquanto se mantém um processo seguro e eficiente. A operação de um Calorímetro de Reação sob condições de refluxo requer atenção especial para capturar o calor que é retirado no condensador de refluxo, e para assegurar que o balanço de energia completo do processo seja mantido mesmo sob condições de refluxo.

Este artigo avalia as seguintes questões sobre acumulação térmica através de estudos práticos de casos tanto do laboratório como da planta:

• Por que e quando ocorre uma acumulação de calor?
• É importante considerar a acumulação térmica e a sua dimensão?
• Qual é o impacto de um cálculo incorreto de acumulação térmica?

Reações autocatalíticas têm uma tendência a começar muito lentamente, e depois subitamente aumentam em proporção devido à formação de compostos catalíticos ou intermediários. Isso pode ser extremamente perigoso em grande escala, pois pode significar a rápida produção de grandes quantidades de calor que o sistema de resfriamento não consegue remover. É extremamente importante saber antecipadamente se um sistema exibe um comportamento autocatalítico, para que o processo possa ser projetado adequadamente. O Calorímetro de Reação permite a medição direta da taxa de produção de calor, e a análise in situ pode fornecer informações adicionais sobre a proporção na qual a reação ocorre.

Desencadeamento é o ponto no qual a reação química começa, e não é necessariamente quando os reagentes são misturados. Em alguns casos, o desencadeamento só ocorre após um certo período de tempo (durante a autocatálise), quando um material inibidor foi consumido, ou quando uma certa temperatura foi atingida (durante uma reação não isotérmica ou uma decomposição). A existência de um período de iniciação não significa necessariamente que a reação seja perigosa, mas é de vital importância que os parâmetros do evento (tempo, duração, etc.) sejam bem compreendidos, a fim de evitar condições perigosas. Por exemplo, reações Grignard geralmente sofrem um desencadeamento retardado, e é importante não adicionar muito haleto ao reator antes que o início tenha sido confirmado. Caso contrário, existe um alto risco de acumulação e descontrole.

Saiba como a calorimetria de reação ajuda os cientistas a selecionar rapidamente as condições e aumentar a escala com segurança – sem a necessidade de grandes volumes de teste. Os exemplos apresentados incluem:

• Detectar Liberação de Calor Durante a Mudança de Temperatura
• Compreender o Efeito da Acumulação de Calor
• Avistar Problemas de Escalabilidade em Pequena Escala
• Eliminar o Risco de Reações com Descontrole 

A deflagração ocorre quando um material sólido, como um recipiente reator ou recipiente de armazenamento, sofre uma reação de decomposição autossustentada que libera quantidades significativas de energia (calor).  A deflagração é essencialmente queimada, mas pode ocorrer na ausência de oxigênio da atmosfera. A deflagração difere da detonação, principalmente em relação à velocidade da reação, com uma detonação ocorrendo na velocidade supersônica e deflagração na velocidade subsônica. Durante um processo químico, a deflagração deve ser evitada a todo custo. Estudos de segurança de processos químicos devem sempre incluir uma avaliação da suscetibilidade do material à deflagração (e explosão), bem como uma compreensão de quais temperaturas podem ser alcançadas durante o processo, especialmente em casos de problemas de processo ou falhas de refrigeração.

O sistema de aquecimento e resfriamento do Calorímetro de Reação RC1 é baseado em fluido circulante de transferência de calor com uma alta velocidade e uma grande quantidade de óleo pré-resfriado. Enquanto a alta velocidade assegura resposta rápida a mudanças de temperatura, o reservatório com o óleo pré-resfriado garante resfriamento instantâneo em caso de uma grande exotermia ou emergência. Junto com os algoritmos que garantem a mais alta precisão de cálculo, o termostato é projetado para responder rapidamente às mudanças de condições no reator, a fim de manter a temperatura desejada com precisão.

O sistema de controle de temperatura do Calorímetro de Reação EasyMax e OptiMax usa o conceito de aquecimento elétrico e tecnologia de resfriamento em estado sólido baseado em Peltier. Tanto o aquecimento quanto o resfriamento são extremamente rápidos devido ao design compacto do termostato e permitem que o sistema atinja temperaturas bem abaixo de 0 °C sem o uso de um criostato. Como resultado do design, os requisitos de espaço são mínimos.