لماذا سلامة العمليات الحرارية؟
في 4 أغسطس/آب 2020، انفجر مستودع يحتوي على نترات الأمونيوم في مرفأ بيروت. دمّر الانفجار large أجزاء من المرفأ. في المجمل، قُتل أكثر من 200 شخص وأصيب حوالي 7,000 شخص [1]. لا تتعلق السلامة الحرارية بالإنتاج فحسب، بل تتعلق أيضًا بتخزين المواد الكيميائية ونقلها.
التحكم في مخاطر التفاعل في الصناعات الدوائية والكيماوية والغذائية والزراعية
سيفيسو 1976، بوبال 1984 - حادثان كيميائيان على نطاق large للغاية ناجمان عن تفاعلات كيميائية طاردة للحرارة غير منضبطة تعرف باسم الهرب الحراري.
يشير الهروب الحراري (يسمى أحيانًا بالانفجار الحراري) إلى ارتفاع درجة الحرارة بسبب عملية طاردة للحرارة ذاتية التعزيز/ذاتية التسارع. يكون معدل إنتاج الحرارة أكبر من معدل تبديد الحرارة، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة (وبالتالي الضغط) في وعاء التفاعل بشكل مستمر. وتتمثل عواقب التفاعلات الحرارية الهاربة في حرائق و/أو انفجارات محتملة يمكن أن تطلق غازات سامة وتعرض حياة الإنسان للخطر.
يشار أحيانًا إلى إطلاق إيزوسيانات الميثيل من مصنع يونيون كاربايد لإنتاج المبيدات الحشرية في 3 ديسمبر 1984 في الهند على أنه "الكارثة الكيميائية الأكثر تدميرًا في التاريخ". [3] لقي آلاف الأشخاص حتفهم نتيجة هذا الحادث.
وقع حادث سيفيسو في 10 يوليو 1976 في مصنع إكميسا للكيماويات في ميدا، بالقرب من ميلانو بإيطاليا، وأدى إلى إطلاق كميات هائلة من الديوكسين TCDD (الاسم الكيميائي: 2،3،7،8-تتراكوكلور ثنائي البنزين ثنائي الديوكسين) [4]. وأطلق اسمها على اللائحة الأوروبية 2012/18/EU "بشأن التحكم في أخطار الحوادث الكبرى التي تنطوي على مواد خطرة" المعروفة باسم توجيه سيفيسو الثالث.
ولحسن الحظ، فإن مثل هذه الحوادث الخطيرة نادرة جدًا، ولكن الحوادث البسيطة تقع من وقت لآخر. على سبيل المثال، يمكن أن يُعزى حوالي 25% من الحوادث في الصناعة الكيميائية الفرنسية بين عامي 1974 و2014 إلى التفاعلات الحرارية الهاربة [5]. في الصين، كانت التفاعلات الحرارية الهاربة مسؤولة عن 271 حادثة بين عامي 1984 و2019 [6]. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، وقعت 167 حادثة مرتبطة بالتفاعلات الحرارية الهاربة بين عامي 1985 و2001 [7].
وفي الآونة الأخيرة، تصدرت التفاعلات الحرارية الهاربة في بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في السيارات الكهربائية والدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية الإلكترونية عناوين الأخبار. في يوليو 2023، اندلع حريق في ناقلة سيارات بها 3000 مركبة بالقرب من الساحل الهولندي.
ما هي سلامة العمليات الحرارية؟
الهدف من سلامة العمليات الحرارية هو السماح بحدوث تفاعلات كيميائية بطريقة محكومة ومنع حدوث هروب حراري.
تحليل المخاطر كمسألة مهمة
من أجل تحقيق الهدف المذكور أعلاه، يجب تحديد مخاطر التفاعل الكيميائي أو المواد الكيميائية المستخدمة وتقييمها بشكل منهجي واستخلاص التدابير المناسبة لتقليل المخاطر. يتم ذلك في تحليل المخاطر المفصل الذي يتم إجراؤه في حالات مثل:
- عند إدخال عملية تخليق جديدة (توسيع النطاق)
- عند تغيير/تحسين عملية قائمة فيما يتعلق بما يلي
- كمية ونوع الكواشف
- كمية ونوع المذيبات
- تسلسل الإضافة
- ظروف العملية
- عند نقل موقع الإنتاج
- من مفاعل إلى آخر
- من مصنع إلى آخر أو
- من بلد إلى آخر
من التطوير إلى الإنتاج، تزداد كميات المواد من ملجم إلى كجم أو حتى طن. وبنفس الطريقة، تزداد أيضًا مخاطر التعامل مع المذيبات القابلة للاشتعال والمواد/التفاعلات النشطة.
ما يمكن أن يحدث إذا خرج التفاعل عن السيطرة، على سبيل المثال، بسبب فشل نظام التبريد:
من أجل تحديد وقياس وفهم الأخطار والمخاطر والمخاطر المحتملة على بيئة العمل، يمكن استخدام تقنيات ونماذج مختلفة.
السلامة أولاً! - تحديد المعلمات الرئيسية
يعرّف الاتحاد الأوروبي للهندسة الكيميائية (EFCE) مصطلح "المخاطر" على أنه مقياس لاحتمالية وقوع الضرر والأذى على البيئة أو الأشخاص من حيث الاحتمالية والشدة. وغالباً ما يتم التعبير عن هذه العلاقة في شكل المعادلة التالية:
المخاطر = الشدة × الاحتمالية[8]
لتحديد نقاط الضعف الكامنة في عملية ما، يتم وصف سيناريوهات الحوادث وتحليلها فيما يتعلق بالخطورة المتوقعة واحتمالية وقوعها. ويمكن أن تكون النتيجة مصفوفة مخاطر.
مثال على معايير تقييم المخاطر (وفقاً لـ [9]):
الخطورة: كلما ارتفعت درجة الحرارة، كلما زاد الضغط، كلما زاد الضرر المتوقع
الاحتمال: كلما كان الوقت المتبقي لاستعادة الوضع الآمن أقصر كلما زادت احتمالية حدوث تفاعل حراري هارب.
يرمز ΔTad إلى ارتفاع درجة الحرارة في ظل ظروف ثبات الحرارة وهو مقياس لعواقب التفاعل الهارب؛ يرمز TMRad إلى الوقت اللازم لاستعادة المعدل الأقصى في ظل ظروف ثبات الحرارة.
ما هي الظروف الأديباتيكية؟
الأديباتية تعني: عدم وجود تبادل حراري بين النظام وبيئته. إذا تعذر تفريغ الحرارة أثناء التفاعل الطارد للحرارة، فهذا هو السيناريو الأسوأ. كل الطاقة المنطلقة من التفاعل تزيد من درجة حرارة النظام.
ما هو معدل الزمن إلى الحد الأقصى؟
الزمن إلى المعدل الأقصى هو الزمن بين بداية التفاعل الطارد للحرارة ونقطة أقصى معدل للتفاعل. وبعبارة أخرى، الوقت الذي يستغرقه الانفجار الحراري حتى يحدث الانفجار الحراري.
وفقًا لقاعدة فانت هوف، يتضاعف معدل التفاعل مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 كلفن [8].
tMR هي مواصفات زمنية، في حين أن TMR24h (أو TD24، D = التحلل) هي درجة الحرارة: درجة الحرارة التي يكون عندها TMR24h 24 ساعة. ومع ذلك، في بعض الأحيان، يتم استخدام أوقات أخرى أيضًا كأساس للحساب، على سبيل المثال، 8 ساعات كمقياس لطبقة واحدة.
مثال على مخطط انسيابي لتقييم المخاطر الكيميائية (وفقًا لـ [10]):
تُستخدم طرق التحليل الحراري (التحليل الحراري التفاضلي الديناميكي، والتحليل الحراري التثاقلي، والتحليل الحراري التثاقلي، والتحليل الحراري التثاقلي) لتقييم الاستقرار الحراري.
NETZSCH - مزود الحلول المتكاملة
NETZSCH التحليل والاختبار هو مزودك الكامل للحلول في مجال السلامة الحرارية. نقدم أدوات التحليل إلى جانب البرمجيات المناسبة للتنبؤ والمحاكاة:
بالنسبة لدراسات تقييم المخاطر الحرارية، يعتبر قياس المسح الحراري التفاضلي(DSC) الطريقة الأكثر استخدامًا. ويشمل ذلك أيضًا مسعر معدل التسارع الحراري (ARC® ) (انظر المخطط البياني الانسيابي). يحتل المسعر متعدد الوحدات MMC مسعر متعدد الوحدات مكانة خاصة حيث يمكن استخدامه لكل من إجراءات الفحص (وحدة المسح الضوئي) واختبارات تسريع معدل التسخين الحراري (ARC)الطريقة التي تصف إجراءات اختبار متساوي الحرارة والاختبار المتساوي الحرارة المستخدمة للكشف عن تفاعلات التحلل الطاردة للحرارة.ARC® (وحدةتسريع معدل التسخين الحراري (ARC)الطريقة التي تصف إجراءات اختبار متساوي الحرارة والاختبار المتساوي الحرارة المستخدمة للكشف عن تفاعلات التحلل الطاردة للحرارة.ARC® ).
يسمى بروتوكول الاختبار القياسي لقياسات تسريع معدل التسخين الحراري (ARC)الطريقة التي تصف إجراءات اختبار متساوي الحرارة والاختبار المتساوي الحرارة المستخدمة للكشف عن تفاعلات التحلل الطاردة للحرارة.ARC® Heat-Wait-Search [11]. يتم تسخين العينة على خطوات ويتم فحص التسخين الذاتي في مرحلة انتظار مقابلة (انظر الرسم البياني). إذا تم تجاوز قيمة عتبة تسخين ذاتي معينة (عادةً 0.02 كلفن/دقيقة)، يتحول نظام القياس إلى وضع التتبع ويقيس الزيادة في درجة الحرارة التي تحدث.
رسم تخطيطي لتجربة heat-wait-search [12]
وفقًا للمعيار ASTM E1981 [11]، يمكن تحديد كمية الحرارة المنطلقة من الزيادة في درجة الحرارة المرصودة، ΔTobs، بضربها مع القصور الحراري (أو عامل في)، ΔTad، وبضرب الناتج بدوره مع السعة الحرارية لحاوية العينة.
يمكن حسابTMR24h أوTD24 على أساس نماذج حركية مختلفة.
عن طريق برنامج Termica Neo الجديد، يمكن محاكاة السلوك الحراري للمواد الكيميائية في large الأحجام (المفاعلات والصوامع وغيرها).
ندوات عبر الإنترنت:
المراجع:
المؤلفات:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/2020_Beirut_explosion
[2] K. Hungerbühler، تحليل مخاطر العمليات والمنتجات الكيميائية، محاضرة، FS 2017
https://ethz.ch/content/dam/ethz/ethz/special-interest/chab/icb/icb/ set-dam/documents/downloads/risk-analysis17/2017-05-16-Part5.pdf
[3] مقال في مجلة GEO (باللغة الألمانية) من يناير. 13، 2023؛ https://www.geo.de/wissen/weltgeschichte/katastrophe-von-bhopal-1984--das-schwerste-chemieunglueck-aller-zeiten-32733526.html
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Sevesounglück
[5] A. Dakkoune, L. Vernières-Hassimi, S. Leveneur, D. Lefebvre and L. Estel؛ تحليل المخاطر الحرارية في الفضاء الخارجي. Estel؛ تحليل أحداث الهروب الحراري في الصناعة الكيميائية الفرنسية، HAL ID: hal-02314230,
https://normandie-univ.hal.science/hal-02314230
[6] H. Zhang وM. Bai وX. Wang وJ.جاي، تشي-مين شو، ن. روي، يي ليو، حوادث الهروب الحراري - سبب خطير للقلق: تحليل لحوادث الهروب في الصين، Process Saf Environ Prot، المجلد 155، 2021، ص 277 - 286
[7] تحسين إدارة المخاطر التفاعلية؛ تقرير التحقيق في المخاطر؛ مجلس السلامة الكيميائية بالولايات المتحدة الأمريكية، 2002. https://www.hsdl.org/?view&did=234839
[8] F. Stoessel، السلامة الحرارية للعمليات الكيميائية، Wiley-VCH، 2008
[9] F. Stoessel، محاضرة جائزة EPSC، ليفركوزن، 6. Oktober 2020
https://epsc.be/About https://epsc.be/About+Us/EPSC+Award/_/Award_2020_Presentation.pdf
[10] ب. شراط، س. شايق، معهد العلوم الكيميائية والهندسية، محاضرة ضمن ورشة عمل سلامة التفاعل الكيميائي، ندوة سلامة العمليات التقنية، سنغافورة، 19 أغسطس 2019
https://www.icheme.org/media/12371/w1-icheme-tpsssseminar-chemrxnsafetywrkshp-aug2019.pdf
[11] ASTM E1981 - 22، الدليل القياسي لتقييم الثبات الحراري للمواد بطرق قياس السعرات الحرارية المتسارعة
[12] NETZSCH Onset 26, 2023