Por que a segurança de processos térmicos?
Em 4 de agosto de 2020, um armazém contendo nitrato de amônio explodiu no porto de Beirute. A explosão destruiu large partes do porto. No total, mais de 200 pessoas morreram e cerca de 7.000 ficaram feridas [1]. A segurança térmica está relacionada não apenas à produção, mas também ao armazenamento e ao transporte de produtos químicos.
Controle de riscos de reação nos setores farmacêutico, químico, alimentício e agrícola
Seveso 1976, Bhopal 1984 - Dois acidentes químicos de grande large escala causados por reações químicas exotérmicas descontroladas conhecidas como Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica.
A Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica (às vezes chamada de explosão térmica) refere-se ao superaquecimento devido a um processo ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico de autorreforço/autoaceleração. A taxa de produção de calor é maior do que a taxa de dissipação de calor, fazendo com que a temperatura (e, consequentemente, a pressão) em um recipiente de reação aumente continuamente. As consequências das reações de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica são possíveis incêndios e/ou explosões que podem liberar gases tóxicos e colocar em risco a vida humana.
A liberação de isocianato de metila de uma fábrica da Union Carbide que produzia pesticidas, em 3 de dezembro de 1984, na Índia, é às vezes chamada de "o desastre químico mais devastador da história". [3] Milhares de pessoas morreram em decorrência desse acidente.
O acidente de Seveso ocorreu em 10 de julho de 1976, na fábrica de produtos químicos Icmesa em Meda, perto de Milão, Itália, e levou à liberação maciça da dioxina TCDD (nome químico: 2,3,7,8-tetraclorodibenzodioxina) [4]. Ela deu nome ao regulamento europeu 2012/18/UE "sobre o controle de riscos de acidentes graves envolvendo substâncias perigosas", conhecido como Diretiva Seveso III.
Felizmente, esses acidentes graves são muito raros, mas pequenos incidentes ocorrem de tempos em tempos. Por exemplo, cerca de 25% dos incidentes no setor químico francês entre 1974 e 2014 podem ser atribuídos a reações de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica [5]. Na China, as reações de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica foram responsáveis por 271 incidentes entre 1984 e 2019 [6]. Nos EUA, 167 incidentes relacionados a reações de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica ocorreram entre 1985 e 2001 [7].
Recentemente, as reações de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica em baterias de íon-lítio, que são usadas em carros elétricos, bicicletas elétricas e scooters elétricas, têm sido manchetes. Em julho de 2023, houve um incêndio em um transportador de carros com 3.000 veículos perto da costa holandesa.
O que é segurança de processos térmicos?
O objetivo da segurança do processo térmico é permitir que as reações químicas ocorram de maneira controlada e evitar a Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica.
Análise de risco como uma questão importante
Para atingir o objetivo mencionado acima, os riscos de uma reação química ou os produtos químicos usados devem ser sistematicamente determinados e avaliados e as medidas apropriadas devem ser tomadas para minimizar os perigos. Isso ocorre em uma análise de risco detalhada que é realizada em casos como:
- Ao introduzir um novo processo de síntese (aumento de escala)
- Ao alterar/otimizar um processo existente com relação a
- quantidade e tipo de reagentes
- Quantidade e tipo de solventes
- Sequência de adição
- Condições do processo
- Ao mudar o local de produção
- de um reator para outro
- de uma fábrica para outra ou
- de um país para outro
Do desenvolvimento à produção, as quantidades de material aumentam de mg para kg ou até toneladas. Da mesma forma, os perigos do manuseio de solventes inflamáveis e substâncias/reações energéticas também aumentam.
O que pode acontecer se uma reação sair do controle, por exemplo, devido à falha de um sistema de resfriamento:
Para identificar, quantificar e compreender os possíveis perigos, riscos e perigos para o ambiente de trabalho, várias técnicas e modelos podem ser usados.
Segurança em primeiro lugar! - Determinação de parâmetros-chave
A Federação Europeia de Engenharia Química (EFCE) define o termo "risco" como uma medida do potencial de danos e prejuízos ao meio ambiente ou às pessoas em termos de probabilidade e gravidade. Essa relação é frequentemente expressa na forma da seguinte equação:
Risco = Gravidade x Probabilidade[8]
Para determinar os pontos fracos inerentes a um processo, os cenários de incidentes são descritos e analisados com relação à gravidade esperada e à probabilidade de ocorrência. O resultado pode ser uma matriz de risco.
Exemplo dos critérios para uma avaliação de risco (de acordo com [9]):
Gravidade: Quanto maior a temperatura, maior a pressão, maior o dano esperado
Probabilidade: Quanto menor o tempo restante para restaurar uma situação segura, maior a probabilidade de uma reação de Fuga térmicaO descontrole térmico é a situação em que um reator químico fica fora de controle em relação à produção de temperatura e/ou pressão causada pela própria reação química. A simulação de um descontrole térmico geralmente é realizada usando um dispositivo de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).fuga térmica.
ΔTad representa o aumento da temperatura em condições adiabáticas e é uma medida das consequências de uma reação descontrolada; TMRad representa o tempo até a taxa máxima em condições adiabáticas.
O que são condições adiabáticas?
AdiabáticoAdiabático descreve um sistema ou modo de medição sem nenhuma troca de calor com o ambiente. Esse modo pode ser realizado usando um dispositivo de calorímetro de acordo com o método de calorimetria de taxa acelerada (ARC). O principal objetivo desse dispositivo é estudar cenários e reações de fuga térmica. Uma breve descrição do modo adiabático é "sem entrada de calor - sem saída de calor".Adiabático significa: Nenhuma troca de calor entre um sistema e seu ambiente. Se o calor não puder ser descarregado durante uma reação exotérmica, esse é o Pior cenário possívelEm relação a um reator químico, o pior cenário possível é a situação em que a produção de temperatura e/ou pressão causada pela reação fica fora de controle.pior cenário possível. Toda a energia liberada pela reação aumenta a temperatura do sistema.
O que é TMR?
A taxa de tempo até o máximo é o tempo entre o início de uma reação descontrolada e o ponto de taxa de reação máxima. Em outras palavras, o tempo que leva para uma explosão térmica se desenvolver.
De acordo com a regra de Van't Hoff, a taxa de reação dobra com um aumento de temperatura de 10 K [8].
o TMR é uma especificação de tempo, enquanto o TMR24h (ou TD24, D = Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição) é uma temperatura: a temperatura na qual o TMR é de 24 horas. Às vezes, entretanto, outros tempos também são usados como base para o cálculo, por exemplo, 8 horas como medida para uma camada.
Exemplo de um fluxograma para avaliação de riscos químicos (de acordo com [10]):
Os métodos de análise térmica (calorimetria diferencial dinâmica, análise termogravimétrica, calorimetria adiabática) servem para a avaliação da Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica.
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NETZSCH A Analyzing & Testing é seu fornecedor completo de soluções na área de segurança térmica. Oferecemos instrumentos de análise juntamente com o software apropriado para previsão e simulação:
Para estudos de avaliação de risco térmico, a Calorimetria Exploratória Diferencial(DSC) é o método mais comumente usado. Também está incluída a Calorimetria de Taxa de Aceleração (ARC® ) (consulte o fluxograma). O Calorímetro de Múltiplos Módulos Calorímetro de múltiplos módulos (MMC)Um dispositivo de calorímetro de modo múltiplo que consiste em uma unidade de base e módulos intercambiáveis. Um módulo é preparado para calorimetria de taxa acelerada (ARC), o ARC-Module. Um segundo é usado para testes de varredura (Scanning Module) e um terceiro e quarto estão relacionados a baterias e polímeros, testes farmacêuticos para células tipo moeda (Coin Cell Module).MMC ocupa uma posição especial, pois pode ser usado tanto para procedimentos de triagem (Módulo de Varredura) quanto para testes Calorimetria de taxa acelerada (ARC)O método que descreve os procedimentos de teste isotérmico e adiabático usados para detectar reações de decomposição termicamente exotérmicas.ARC® (MóduloARC ).
O protocolo de teste padrão para medições do Calorimetria de taxa acelerada (ARC)O método que descreve os procedimentos de teste isotérmico e adiabático usados para detectar reações de decomposição termicamente exotérmicas.ARC® é chamado de Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search é um modo de medição usado em dispositivos de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).Heat-Wait-Search [11]. A amostra é aquecida em etapas e verificada quanto ao autoaquecimento em uma fase de espera correspondente (consulte o diagrama). Se um determinado valor limite de autoaquecimento (geralmente 0,02 K/min) for excedido, o sistema de medição passa para o modo de rastreamento e mede o aumento de temperatura que está ocorrendo.
Diagrama esquemático de um experimento Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search é um modo de medição usado em dispositivos de calorímetro de acordo com a calorimetria de taxa acelerada (ARC).heat-wait-search [12]
De acordo com a norma ASTM E1981 [11], a quantidade de calor liberada pode ser determinada a partir do aumento de temperatura observado, ΔTobs, multiplicando-o pela Inércia térmicaA inércia térmica é equivalente ao fator PHI. Ambos descrevem a relação entre a massa e a capacidade de calor específica de uma amostra ou mistura de amostras em comparação com a do recipiente ou contêiner de amostras.inércia térmica (ou fator Phi), ΔTad, e multiplicando o produto, por sua vez, pela capacidade térmica do recipiente da amostra.
OTMR24h ouTD24 pode ser calculado com base em vários modelos cinéticos.
Por meio do novo software Termica Neo, é possível simular o comportamento térmico de produtos químicos em large volumes (reatores, silos, etc.).
Webinars:
Referências:
Literatura:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/2020_Beirut_explosion
[2] K. Hungerbühler, Risk Analysis of Chemical Processes and Products, palestra, FS 2017
https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/chab/icb/set-dam/documents/downloads/risk-analysis17/2017-05-16-Part5.pdf
[3] Artigo na revista GEO (idioma alemão) de 13 de janeiro de 2023; 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 e L. Estel; Analysis of Thermal Runaway Events in French Chemical Industry, HAL Id: hal-02314230,
https://normandie-univ.hal.science/hal-02314230
[6] H. Zhang, M. Bai, X. Wang, J.gai, Chi-Min Shu, N. Roy, Yi Liu, Thermal Runaway Incidents - a Serious Cause of Concern: An Analysis of Runaway Incidents in China (Uma análise de incidentes de fuga na China), Process Saf Environ Prot, Vol. 155, 2021, p 277 - 286
[7] Improving Reactive Hazard Management; Hazard Investigation Report; United States Chemical Safety Board, 2002. https://www.hsdl.org/?view&did=234839
[8] F. Stoessel, Thermal Safety of Chemical Processes (Segurança térmica de processos químicos), Wiley-VCH, 2008
[9] F. Stoessel, Palestra do Prêmio EPSC, Leverkusen, 6. Oktober 2020
https://epsc.be/About+Us/EPSC+Award/_/Award_2020_Presentation.pdf
[10] P. Sharrat, S. Shaik, Instituto de Ciências Químicas e de Engenharia, palestra no Workshop de Segurança de Reações Químicas, Seminário Técnico de Segurança de Processos, Cingapura, 19 de agosto de 2019
https://www.icheme.org/media/12371/w1-icheme-tpsseminar-chemrxnsafetywrkshp-aug2019.pdf
[11] ASTM E1981-22, Guia Padrão para Avaliação da Estabilidade Térmica de Materiais por Métodos de Calorimetria de Taxa Acelerada
[12] NETZSCH Onset 26, 2023