Kontrol Proses yang Aman Secara Inheren
Reaksi harus tetap terkendali setiap saat, tidak hanya dalam skala laboratorium yang biasanya kurang dari satu liter, tetapi juga - dan terutama - dalam reaktor large yang berproduksi dalam skala ton. Bahkan jika kejadian yang tidak direncanakan seperti kegagalan pompa dalam siklus pendinginan reaktor terjadi, tindakan pencegahan harus sudah dilakukan pada tahap perencanaan pabrik produksi untuk mencegah reaktor menjadi tidak terkendali. Perencanaan berwawasan ke depan ini, yang juga memperhitungkan kejadian-kejadian yang tidak terduga, memungkinkan pengoperasian pabrik produksi yang aman setiap saat [1].
Skenario Kasus Terburuk
Sebelum merencanakan pabrik produksi, sangat penting untuk menilai bahan kimia yang digunakan dan reaksi yang direncanakan dalam hal potensi bahayanya. Untuk menghindari kejutan yang tidak menyenangkan dalam ukuran dan kapasitas pabrik, dalam peningkatan skala, atau bahkan dalam urutan penambahan reaktan, studi sering dilakukan untuk tujuan ini yang menggambarkan Skenario Kasus TerburukTerkait dengan reaktor kimia, skenario terburuk adalah situasi di mana produksi suhu dan/atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi tidak terkendali.skenario terburuk. Pengetahuan tentang kasus terburuk membuatnya lebih mudah untuk mengontrol semua kondisi produksi yang sebenarnya. Kasus terburuk yang berkaitan dengan kontrol suhu reaktor adalah melebihi suhu proses yang direncanakan karena, misalnya, kegagalan pompa dalam siklus pendinginan. Jika sistem pendingin gagal dan panas reaksi tidak lagi dapat diseimbangkan, suhu dalam reaktor naik di atas suhu reaksi yang direncanakan. Hal ini dapat menyebabkan reaksi samping yang tidak diinginkan atau reaksi sekunder. Dalam kasus terburuk, kenaikan suhu dan/atau tekanan dapat menyebabkan reaktor meledak. Untuk menyelidiki apa yang terjadi ketika suhu di dalam reaktor naik secara tidak terkendali, seberapa cepat suhu naik dan seberapa besar tekanan yang terbentuk di dalam reaktor, reaksi-reaksi semacam itu disimulasikan dalam skala small di laboratorium. Instrumen yang dirancang untuk menyelidiki kasus terburuk ini adalah NETZSCH ARC® 254
The NETZSCH ARC® 254
NETZSCH ARC® 254 (gambar 1) adalah kalorimeter laju akselerasi yang mampu melakukan apa yang disebut tes Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal. Tujuan dari teknologi pengukuran ini adalah untuk menemukan potensi bahaya sehubungan dengan suhu sampel atau campuran reaksi dalam kondisi AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik. AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".Adiabatik secara khusus berarti tidak ada pertukaran panas yang terjadi. Jika semua panas reaksi tetap berada di dalam bejana reaksi dan tidak dapat menghilang ke lingkungan, suhu akan naik dan dengan demikian menyebabkan kecepatan reaksi meningkat. Hal ini akan menghasilkan mekanisme reaksi yang mempercepat diri sendiri. Dengan mempelajari skenario tersebut, kondisi dunia nyata apa pun - yang biasanya tidak sepenuhnya AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik, karena sebagian panas selalu hilang ke lingkungan - dapat dihitung dan diklasifikasikan.
Bagaimana Deteksi Reaksi Penguraian Diri EksotermalTerdeteksi?
Untuk mendeteksi Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal, suhu zat atau campuran reaksi yang akan diselidiki dinaikkan secara bertahap. Pada setiap langkah suhu, ditunggu waktu yang cukup untuk menyejukkan sampel pada suhu tersebut. Kemudian, deteksi dilakukan untuk mengetahui apakah suhu sampel tetap konstan pada suhu ini atau naik secara perlahan, yaitu apakah terjadi pemanasan sendiri pada sampel atau tidak. Jika tidak ada pemanasan sendiri yang terdeteksi, urutan kenaikan suhu bertahap (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search adalah mode pengukuran yang digunakan pada perangkat kalorimeter menurut kalorimetri laju akselerasi (ARC).Heat-Wait-Search) akan dilanjutkan. Ketika melebihi laju pemanasan sendiri sebesar 0,02 K/menit, instrumen akan berubah menjadi mode AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik. Mode pengukuran ini mencegah kehilangan panas ke lingkungan sampel, karena semua pemanas yang mengelilingi ruang sampel mengikuti suhu sampel sekarang. Jika semua pemanas memiliki suhu yang sama dengan sampel, yaitu tidak ada gradien suhu, tidak ada panas yang hilang ke lingkungan. Dengan cara ini, ARC® memastikan lingkungan sampel yang AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik semaksimal mungkin. Hal ini, pada gilirannya, merupakan prasyarat penting untuk menyelidiki Skenario Kasus TerburukTerkait dengan reaktor kimia, skenario terburuk adalah situasi di mana produksi suhu dan/atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi tidak terkendali.skenario terburuk seperti Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal.
Bagaimana Reaksi Pelarian Termal Diukur?
Jika Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal mulai terjadi selama reaksi, sebaiknya tentukan titik waktu atau suhu kritis ini sedini mungkin. Dilakukan secara berurutan, suhu sampel pada awalnya akan meningkat sangat lambat pada awal pemanasan sendiri. 0.02 K/menit adalah laju pemanasan sendiri yang sangat rendah, hanya 1,2 K per jam. Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. Reaksi penguraian dimulai dengan lambat, tetapi terus meningkat dalam kecepatan dengan meningkatnya suhu hingga mencapai laju pemanasan sendiri maksimum dan akhirnya suhu maksimum. Gambar 3 menunjukkan hasil untuk suhu (merah) dan tekanan (biru) untuk uji Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search adalah mode pengukuran yang digunakan pada perangkat kalorimeter menurut kalorimetri laju akselerasi (ARC®).HWS pada larutan hidrogen peroksida 17,5% (H2O2). Untuk tujuan ini, volume 5,0757 g larutan hidrogen peroksida ditempatkan ke dalam wadah titanium berbentuk bola (8,7 ml).
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, kriteria untuk mengenali reaksi dekomposisi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal adalah laju pemanasan sendiri > 0,02 K/menit. Nilai ambang batas ini terlampaui pada suhu 90°C (awal), dan kemudian suhu sampel naik hingga 151°C dalam kondisi AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik. Selama reaksi dekomposisi, tekanan di dalam bejana sampel meningkat menjadi 76,6 bar.
Apakah Ada Cara untuk Menghentikan Pelarian Termal?
Pertanyaan mengenai apakah Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal dapat dihentikan atau tidak, tentu saja, sangat terkait erat dengan laju pemanasan sendiri. Penting untuk mendeteksi suhu kritis atau awal Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal, tetapi mungkin tidak selalu diinginkan untuk membiarkan Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. reaksi penguraian berjalan sepenuhnya. Akan jauh lebih penting untuk mengetahui suhu atau tekanan hingga reaksi yang sudah mulai mengalami pelarian dapat dihentikan lagi dan dikendalikan. Kemungkinan untuk mendeteksi awal Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC®).pelarian termal suatu reaksi dan kemudian mencegah pemanasan sendiri lebih lanjut dengan mematikan lingkungan AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik, sehingga menghindari Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. reaksi penguraian, telah dilaporkan di tempat lain [2]. Di sini, sebuah upaya harus dilakukan untuk menunjukkan cara lain untuk menghentikan reaksi dekomposisi yang baru saja dimulai dengan menerapkan strategi yang berbeda. Bejana reaksi dihubungkan melalui saluran tekanan dan katup ke bejana lain, yang disebut bejana ventilasi (gambar 3). Ketika tekanan sampel yang dapat dipilih secara bebas tercapai, perangkat lunak pengukur akan membuka katup ke bejana ventilasi. Dengan melampiaskan ke bejana ini, tekanan dalam bejana reaksi juga akan berkurang. Hal ini dapat cukup untuk menghentikan pemanasan sendiri dan dengan demikian reaksi berurutan dan reaksi samping yang tidak terkendali.
Ventilasi
Baik bejana reaksi maupun bejana ventilasi dilengkapi dengan pengukur tekanan tersendiri. Dengan demikian, peningkatan tekanan dapat dilacak setelah membuka katup (lihat V1 pada gambar 3). Volume bejana ventilasi pada 250 ml, bagaimanapun, berkali-kali lebih besar daripada volume bejana sampel, di mana biasanya sekitar 5 ml volume gas tetap berada di atas sampel. Karena alasan ini, tekanan dalam bejana ventilasi hanya meningkat dari 1,0 bar menjadi 1,13 bar setelah membuka katup, sedangkan tekanan dalam bejana sampel menurun dari 10,0 bar menjadi 1,0 bar pada saat yang sama (gambar 4).
Gambar 5 menunjukkan hasil pengukuran Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search adalah mode pengukuran yang digunakan pada perangkat kalorimeter menurut kalorimetri laju akselerasi (ARC®).HWS dengan air sebagai zat sampel, di mana sinyal tekanan meningkat secara analog dengan sinyal suhu dan sesuai dengan langkah suhu program Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search adalah mode pengukuran yang digunakan pada perangkat kalorimeter menurut kalorimetri laju akselerasi (ARC®).HWS. Dalam contoh ini, pembukaan katup ventilasi diprogram melalui perangkat lunak pengukuran pada 2,0 bar. Dengan mudah dapat dilihat bahwa dengan membuka bejana ventilasi, tidak hanya tekanan dalam bejana sampel menurun dari 2,0 bar ke 1,0 bar, tetapi suhu dalam bejana sampel juga sangat menurun. Selama periode 60 menit di mana katup ventilasi tetap terbuka, pemanas di sekeliling kalorimeter juga mengikuti suhu sampel. Ini menurun dari 108,4°C ke 96,8°C dan - meskipun mode pengukuran AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik tetap diaktifkan selama waktu ini, yaitu, pemanas di sekelilingnya mengikuti suhu sampel - tidak ada peningkatan lebih lanjut dalam suhu sampel yang dapat ditentukan.
Sekarang, apabila menyelidiki air sebagai zat sampel, dapat diperkirakan bahwa tidak akan ada reaksi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal. Sebaliknya, dipastikan bahwa apabila tidak ada reaksi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal oleh sampel, suhu sampel menurun setelah membuka katup ventilasi dan kemudian tetap konstan akibat lingkungan yang AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik. Hal ini juga ditegaskan oleh laju pemanasan sendiri sampel di bagian bawah gambar.
Penyelidikan larutan hidrogen peroksida satu persen juga menunjukkan tidak ada kenaikan suhu lebih lanjut setelah membuka katup ventilasi pada tekanan 3 bar dalam bejana sampel. Dalam kasus larutan hidrogen peroksida dua persen, dapat dilihat bahwa reaksi dekomposisi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal yang disebabkan oleh pembukaan katup ventilasi dan penurunan tekanan sistem ke tekanan atmosfer tidak cukup untuk menekan dekomposisi lebih lanjut. Hal ini menghasilkan laju pemanasan sendiri sebesar 0,02 K/menit. Untuk larutan hidrogen peroksida empat persen (gambar 6), laju pemanasan sendiri sebesar 0,04 K/menit masih terdeteksi setelah membuka katup ventilasi. Suhu dan laju pemanasan sendiri untuk larutan hidrogen peroksida yang dibahas dirangkum dalam tabel 1.
Tabel 1: Ringkasan suhu dan laju pemanasan sendiri untuk berbagai larutan hidrogen peroksida
| Sampel | Suhu selama ventilasi | Laju pemanasan sendiri setelah ventilasi |
| H2O | 108.4°C (2 bar) | 0.00 K / menit |
| H2O2 (1%) | 81.8°C (3 bar) | 0.00 K/menit |
| H2O2 (2%) | 70.8°C (3 bar) | 0.02 K/menit |
| H2O2 (4%) | 67.6°C (3 bar) | 0.04 K/menit |
Ringkasan
NETZSCH ARC® 254 menawarkan dua kemungkinan untuk mendapatkan kembali kendali, jika perlu, reaksi yang telah mengalami pelarian panas. Salah satu kemungkinannya adalah di mana pemanas di sekitarnya dimatikan ketika sampel mencapai Tingkat pemanasan sendiriJenis perangkat kalorimeter khusus digunakan untuk mendeteksi laju pemanasan sendiri suatu zat. Metode terkait disebut kalorimetri laju akselerasi (ARC®). tingkat pemanasan sendiri yang diberikan, sehingga menghilangkan lingkungan AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik sampel dan membuat kehilangan panas menjadi mungkin lagi; pelarian lebih lanjut dari reaksi kemudian dicegah melalui kehilangan panas ini [2]. Kemungkinan lain, di mana tekanan dapat dipindahkan dari bejana sampel ke bejana sampel lain (bejana ventilasi) dengan membuka katup pelepas tekanan (katup ventilasi), disajikan dalam catatan aplikasi ini. Dengan mengukur tekanan secara independen, peningkatan tekanan dalam bejana ventilasi dapat dipantau. Ditunjukkan bahwa kemajuan lebih lanjut dalam reaksi dekomposisi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal lemah dapat dihentikan dengan cara ini, sementara reaksi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal yang lebih kuat terus menunjukkan pemanasan sendiri yang dapat dideteksi bahkan setelah tekanan dilepaskan.