Безопасность химических процессов

Основная задача обеспечения безопасности химических процессов — предотвращение происшествий и несчастных случаев при производстве химикатов и фармацевтических препаратов в промышленных масштабах. Речь идет о непреднамеренном выбросе потенциально опасных материалов и энергии в окружающую среду во время химической реакции или из-за ее выхода из-под контроля.

Происшествия в химической промышленности могут быть обусловлены различными причинами, например:

• недостаток информации,
• недостаточная подготовка операторов,
• технические дефекты,
• человеческий фактор,
• сочетание нескольких причин.

К наиболее частым причинам происшествий или аварий относятся неисправности, ошибки операторов, непонимание химии процесса и его параметров, а также всех возможных побочных реакций.

Выявление и изучение опасных факторов и тщательный анализ рисков позволяют оценить вероятность начала реакции разложения и избежать потери контроля над реакцией.

Безопасность химических процессов является частью комплексной оценки безопасности в ходе производства или при его масштабировании и поэтому должна рассматриваться как часть культуры и политики компании. Безопасность химических процессов подпадает под действие инструкций по охране труда, производственной безопасности и охране окружающей среды. Эти инструкции обычно входят в состав директив различных органов контроля и надзора.

Безопасность химических процессов обеспечивается с помощью комплекса различных методов, технологий и моделей и требует понимания того, какие химические реакции желательны, а какие — нет. Для этого проводится исследование тепловых явлений, передачи тепла, перемешивания, переноса массы, газообразования, а также стабильности исходного материала, реакционной массы и получаемых продуктов.

Таким образом, для обеспечения безопасности химических процессов необходим междисциплинарный подход.

Если говорить кратко, задача заключается в том, чтобы избежать происшествий и несчастных случаев на химическом производстве в пилотном или промышленном масштабе. Как правило, новые продукты приходится разрабатывать в сжатые сроки, оперируя небольшим количеством материала и в экстремальных условиях. С годами число химических процессов растет, производство усложняется, химические реакции становятся все более нестандартными и токсичными, а рабочие условия — более опасными. По этой причине, а также из-за ряда происшествий контролирующие органы и общество стали более строго относиться к регулированию. Компании были вынуждены повысить общую безопасность химических процессов и разрабатывать изначально более безопасные технологические процессы для химического производства. Если безопасность процесса учтена еще на этапе разработки, его схема позволяет предотвратить возникновение химических опасностей, а не пытаться их нейтрализовать.

Чтобы предприятие работало безопасно и в соответствии с нормативными требованиями, необходимо четко понимать технологический процесс и связанные с ним риски.

Тщательное исследование безопасности химических процессов предотвращает не только потерю контроля над реакцией, но и повреждение или уничтожение оборудования, травмы людей или загрязнение окружающей среды.

Цель исследования безопасности химических процессов — получить общее представление обо всех потенциальных опасностях, негативных факторах и их последствиях. Эти исследования включают в себя такие аспекты, как безопасность продуктов и процессов, индивидуальная безопасность, а также меры защиты окружающей среды. Чтобы гарантировать безопасность производства химических веществ в крупных объемах, необходимо уделять внимание каждому из указанных аспектов, принимать необходимые организационные меры по этим направлениям и проводить соответствующие исследования.

Последствия происшествий и несчастных случаев на химических предприятиях могут быть самыми разными — от незначительных, с потерей партии продукции или небольшим ущербом для предприятия, до катастрофических, с травмами или гибелью сотрудников, с тяжелыми повреждениями или даже с разрушением предприятия, с катастрофическим ущербом для окружающей среды и с человеческими жертвами в прилегающих к предприятию районах. Происшествия такого масштаба подрывают репутацию компании и причиняют большие убытки,

поэтому инвестиции в безопасность химических процессов всегда обоснованы.

Для обеспечения безопасности химических процессов используются различные методы, технологии и модели, с помощью которых ученые исследуют протекание химических реакций, свойства используемых растворителей и химикатов, а также необходимые для реакций технологические параметры.

Протекание химических реакций, образование побочных продуктов и примесей обычно зависит от таких параметров, как температура, рН, давление, скорость дозирования, перемешивание, смешивание, тип растворителя, наличие катализатора и так далее.

При разработке процессов нужно учесть многие дополнительные параметры, например кинетику химических реакций, максимальное выделение тепла, накопление тепла и не вступившего в реакцию материала, тепло- и массоперенос, изменение вязкости, образование накипи, выпадение осадка или выделение газа.

Таким образом, для безопасности химического процесса наиболее важен анализ желательных и нежелательных реакций. Они подлежат тщательному исследованию.

Для анализа тепловых характеристик химических реакций используется калориметрия. При этом для исследования желательных реакций, как правило, используется реакционная калориметрия. Для изучения нежелательных реакций обычно применяют дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). Побочные реакции часто связаны с разложением реакционной массы или ее компонентов. В худшем случае это приводит к выходу реакции из-под контроля.

С помощью реакционных калориметров можно получить информацию о тепловых процессах, включая профиль теплового потока в зависимости от времени или дозирования, максимальное тепловыделение, накопление тепла, накопление реагентов, энтальпию реакции и коэффициенты теплопередачи. Исследования химических процессов в реакционных калориметрах также позволяют выявить зависимость реакции от режима перемешивания и смешивания. Используя данные, полученные с помощью реакционного калориметра, и данные термического анализа (например, ДСК), можно составить протоколы безопасности — например, график условий, при которых реакция станет неконтролируемой.

Информация, полученная с помощью реакционной калориметрии, помогает определить и устранить критические или немасштабируемые параметры реакции, что необходимо для высокой безопасности химического процесса.

В реакционной калориметрии химический процесс изучается с учетом влияния реакционных и технологических параметров, которые определяют степень превращения, скорость реакции, выделение тепла в зависимости от времени или дозировки, максимальное выделение тепла, последствия накопления энергии и реагентов, тепло- и массоперенос.

При протекании химической реакции в условиях, близких к технологическим, измеряется количество энергии, высвобождаемой или поглощаемой с течением времени. Полученные данные регистрируются вместе с другими данными технологического процесса.

Реакционный калориметр RC1mx поддерживает различные методы измерения теплоты реакции. Это может быть хорошо известный метод теплового потока, когда передача тепла в зависимости от времени определяется измерением коэффициента теплопередачи, или технология RTCal, которая позволяет измерять и визуализировать тепловой поток в режиме реального времени.

Независимо от используемого метода, алгоритмы гарантируют, что теплота реакции измеряется точно — при любых настройках реактора и при любых условиях эксперимента:

• в изотермических условиях,
• в неизотермических условиях,
• при добавлении холодных и горячих реагентов.

При детальном изучении безопасности химических процессов реакционные калориметры позволяют получить подробную информацию об исследуемой реакции, в том числе:

• влияние изменения метода смешивания,
• побочные или последовательные реакции,
• изменение теплоемкости,
• испарение или выделение газов.

Важную роль в совершенствовании безопасности химических процессов играют следующие приборы и программы, которые могут работать самостоятельно или в составе интегрированной химической рабочей станции:

• Реакторы для химического синтеза
  Автоматизированные рабочие станции для химического синтеза позволяют проводить эксперименты без присутствия персонала при точном контроле условий реакции и круглосуточной регистрации данных, получаемых в каждом эксперименте.
   

• Реакционные калориметры
  Эти приборы используются для скрининга реакций в малых масштабах, выявления немасштабируемых условий, изучения параметров процесса перед масштабированием, для оценки рисков и критичности процессов. Оборудование для реакционной калориметрии помогает в разработке безопасных, экономичных и экологически чистых процессов.
  
  
• ИКФС- и рамановские спектрометры
  Непрерывный мониторинг позволяет отслеживать содержание компонентов и получать своеобразную «молекулярную видеозапись» реакции. Оперативное отслеживание изменений в содержании ключевых компонентов полезно для изучения кинетики и механизма реакции.
  
  
• ПО iC
  Используя эту программу, исследователи могут управлять экспериментальными данными, объединять их потоки и анализировать их, чтобы получить важные сведения о процессе. ПО iC DataCenter надежно регистрирует все экспериментальные данные и позволяет обмениваться ими в масштабе всей организации, накапливая общий опыт.

Безопасности химических процессов и связанным с ней вопросам посвящена обширная литература. Ниже приведены некоторые ссылки:

• 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.