Как предотвратить взрывы и аварии на химических установках

Взрыв — это внезапное высвобождение значительного количества энергии, которое, как правило, сопровождается образованием сильно нагретых газов. Взрывы  на химических предприятиях — это то, чего необходимо избегать любой ценой. Две основные  причины взрывов в результате химических реакций —

• это энергетическая нестабильность материалов и их взрывчатые свойства. В ходе всестороннего исследования безопасности процесса исследователи выявляют чувствительность материалов к удару, трению, нагреву и т. д. Эти данные необходимы для разработки специальных процедур защиты.
• Химические процессы могут сопровождаться неконтролируемым выделением тепла, газа, горючих паров, а также приводить к разрыву реактора из-за избыточного давления и утечкам легковоспламеняющегося содержимого.

Чтобы избежать этих рисков, необходимо применять реакционный калориметр для отслеживания теплоты реакции (энтальпии) и скорости тепловыделения. Эти данные помогут повысить безопасность процессов.

Накопление реактива связано с тем, что при его подаче в аппарат полупериодического действия, он вступает в реакцию не сразу.  Такое постепенное увеличение концентрации реактива опасно тем, что при резком ускорении реакции или отказе системы охлаждения может произойти взрыв. Накопление измеряют при помощи реакционного калориметра. При этом тепловыделение в результате протекания реакции сопоставляется со скоростью подачи реактива. Для непосредственного определения концентрации не вступившего в реакцию материала также можно использовать методы анализа in situ.

При исследовании взрывобезопасности процесса важно проверить возможность и условия выделения газа. В некоторых случаях, например, в процессах декарбоксилирования, выделение CO₂ — очевидный и ожидаемый результат основной реакции.  В других случаях,  например, в начале теплового разгона процесса нитрования, газ выделяется как продукт случайной побочной реакции или в результате разложения. Неконтролируемое выделение газа может быстро привести к избыточному давлению в реакторе с риском потери целостности оболочки и даже взрыва установки с катастрофическими последствиями.

Определение количества образующегося газа — важная часть лабораторных исследований безопасности процессов. Реакционный калориметр легко оснастить измерительным устройством или датчиком для получения количественных данных о времени и скорости выделения газа. Эти сведения помогают отрегулировать процесс.

Для перехода жидкости в пар путем испарения требуется значительное количество энергии. Это количество называют скрытой теплотой испарения. Испарение часто используется на крупнотоннажных химических установках для выведения тепла из системы. Такая процедура позволяет снизить затраты и повысить безопасность процесса. По этой причине часть периодического процесса обычно проводят в условиях дефлегмации, чтобы повысить скорость реакции и при этом сохранить безопасность и эффективность процесса. При использовании реакционного калориметра в условиях дефлегмации, необходимо учитывать тепло, потребленное дефлегматором, и поддерживать тепловой баланс процесса.

Данная статья посвящена практическим аспектам проблемы накопления тепловой энергии в лабораторных и промышленных процессах. В ней рассматриваются следующие вопросы:

• Когда и почему происходит накопление теплоты?
• Насколько важно учитывать это накопление?
• Каковы последствия ошибок в тепловых расчетах?

Автокаталитические реакции отличаются невысокой начальной скоростью, которая затем резко возрастает из-за образования веществ или промежуточных соединений, обладающих каталитическими свойствами. В больших масштабах это может быть чрезвычайно опасно, если система охлаждения не способна удалить большое количество теплоты за короткое время. Для построения надежного процесса важно заранее знать, могут ли в системе возникнуть автокаталитические реакции. Реакционный калориметр позволяет непосредственно измерять скорость выделения тепла. Методы анализа in situ дают дополнительную информацию о скорости протекания реакции.

Инициирование — момент начала химической реакции, который не обязательно совпадает с моментом смешивания реагентов. В некоторых случаях инициирование происходит только по истечении определенного времени (при автокатализе), либо когда израсходован ингибитор или достигнута определенная температура (при неизотермической реакции или разложении). Наличие периода инициирования не обязательно означает, что реакция опасна. Однако для предотвращения аварий и взрывов крайне важно хорошо знать его параметры (время, продолжительность и т. д.). Например, инициирование реакций Гриньяра обычно происходит с задержкой, поэтому добавлять в реактор большое количество галида до подтверждения начала химического взаимодействия не следует. В противном случае возникнет накопление, и реакция выйдет из-под контроля.

Узнайте о том, как ученые используют реакционную калориметрию для ускорения проверки условий и безопасного масштабирования процессов без предварительных испытаний на увеличенных объемах. В презентации рассматриваются следующие примеры применения:

• определение количества выделяющегося тепла при изменении температуры;
• изучение эффекта накопления теплоты;
• выявление сложностей масштабирования на малых объемах;
• устранение опасности возникновения неуправляемых реакций. 

Дефлаграция возникает в результате самоподдерживающейся реакции разложения твердого вещества — корпуса реактора или накопительной емкости. Этот процесс сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии.  По своей сути дефлаграция — это горение, но она может происходить и в отсутствие атмосферного кислорода. Основное отличие дефлаграции от детонации — дозвуковая скорость протекания. Это крайне нежелательное явление для химического процесса. Подверженность материала дефлаграции (и его взрывоопасность) в обязательном порядке оценивается при исследовании безопасности химических процессов. Также следует определить максимальную температуру нагрева реакционной среды, особенно при возникновении технологических сбоев и отказов системы охлаждения.

В системах нагрева и охлаждения реакционного калориметра RC1 используется интенсивная циркуляция теплоносителя и большое количество предварительно охлажденного масла. Скорость циркуляции обеспечивает быструю реакцию на изменения температуры, а резервуар с холодным маслом — немедленное охлаждение в случае аварии или сильного экзотермического эффекта. Особенностями термостата являются высокая точность алгоритмических расчетов и оперативная подстройка под состояние среды в реакторе. Они позволяют эффективно поддерживать температуру на нужном уровне.

В системах терморегулирования реакционных калориметров EasyMax и OptiMax используются электрические нагреватели и твердотельные охлаждающие элементы Пельтье. Благодаря компактной конструкции термостата нагрев и охлаждение происходят чрезвычайно быстро, а высоких отрицательных температур можно достичь без применения криостата. Кроме того, система занимает минимум рабочего пространства.