Ventilação - ou como recuperar o controle de um reator nos casos em que a "fuga térmica" já foi iniciada

Controle de processos inerentemente seguro

As reações devem permanecer controláveis o tempo todo, não apenas em escala laboratorial, geralmente inferior a um litro, mas também - e principalmente - em reatores large que produzem em escala de toneladas. Mesmo que ocorram eventos não planejados, como a falha de uma bomba no ciclo de resfriamento de um reator, é necessário que já tenham sido tomadas precauções no estágio de planejamento da planta de produção para evitar que os reatores fiquem fora de controle. Esse planejamento prospectivo, que também leva em conta eventos imprevisíveis, permite a operação inerentemente segura das plantas de produção em todos os momentos [1].

Pior cenário possível

Já antes de planejar as plantas de produção, é essencial avaliar os produtos químicos usados e as reações planejadas em termos de potencial de risco. Para evitar surpresas desagradáveis no tamanho e na capacidade das fábricas, no aumento de escala ou até mesmo na ordem em que os reagentes são adicionados, muitas vezes são realizados estudos para esse fim, descrevendo 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. O conhecimento do pior caso facilita o controle de todas as condições reais de produção. O pior caso em relação ao controle de temperatura de um reator é exceder a temperatura planejada do processo devido, por exemplo, à falha de uma bomba no ciclo de resfriamento. Se o sistema de resfriamento falhar e o calor da reação não puder mais ser equilibrado, a temperatura no reator aumentará acima da temperatura de reação planejada. Isso pode levar a reações colaterais indesejáveis ou reações secundárias. Na pior das hipóteses, o aumento da temperatura e/ou da pressão pode causar a explosão do reator. Para investigar o que acontece quando a temperatura no reator aumenta incontrolavelmente, a rapidez com que a temperatura aumenta e a pressão que se acumula no reator, essas reações são simuladas em uma escala small no laboratório. Um instrumento projetado para investigar esse pior caso é o NETZSCH 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^® 254.

O site NETZSCH ARC^® 254

O NETZSCH 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^® 254 (figura 1) é um calorímetro de taxa acelerada capaz de realizar os chamados testes 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. O objetivo dessa tecnologia de medição é encontrar o potencial perigoso com relação à temperatura de uma amostra ou de uma mistura de reação em condições adiabáticas. A adiabaticidade, em particular, significa que não há troca de calor. Se todo o calor da reação permanecer dentro de um recipiente de reação e não puder ser dissipado para o ambiente, a temperatura aumentará e, portanto, a velocidade da reação aumentará. Isso resultará em um mecanismo de reação de autoaceleração. Ao estudar esses cenários, é possível calcular e classificar quaisquer condições do mundo real - que, via de regra, não são totalmente adiabáticas, pois sempre há perda de calor para o ambiente.

Como a detecção de uma reação de autodecomposição exotérmica é detectada?

Para detectar 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, a temperatura da substância ou da mistura de reação a ser investigada é aumentada gradualmente. Em cada etapa de temperatura, espera-se um período de tempo suficiente para que a amostra atinja essa temperatura. Em seguida, é realizada uma detecção para saber se a temperatura da amostra permanece constante nessa temperatura ou se ela aumenta lentamente, ou seja, se ocorre ou não o autoaquecimento da amostra. Se não for detectado nenhum autoaquecimento, essa sequência de aumento gradual da temperatura (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) continuará. Ao exceder a Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento de 0,02 K/min, o instrumento passa para o chamado modo 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. Esse modo de medição evita a perda de calor para o ambiente da amostra, já que todos os aquecedores ao redor da câmara da amostra seguem a temperatura da amostra. Se todos os aquecedores tiverem a mesma temperatura que a amostra, ou seja, se não houver gradiente de temperatura, não haverá perda de calor para o ambiente. Dessa forma, o site 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^® garante um ambiente de amostra 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 na maior medida possível. Isso, por sua vez, é um pré-requisito importante para a investigação do 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, como 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.

Como é medida uma reação de fuga térmica?

Se o descontrole térmico começar a ocorrer durante uma reação, é desejável determinar esse ponto crítico no tempo ou na temperatura o mais cedo possível. Realizada sequencialmente, a temperatura da amostra aumentará inicialmente de forma muito lenta no início do autoaquecimento. 0.02 K/min é uma Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento muito baixa, correspondendo a apenas 1,2 K por hora. A Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reação de decomposição começa lentamente, mas aumenta continuamente a velocidade com o aumento da temperatura até atingir a taxa máxima de autoaquecimento e, finalmente, a temperatura máxima. A Figura 3 mostra os resultados de temperatura (vermelho) e pressão (azul) para um teste 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^®).HWS em uma solução de peróxido de hidrogênio (_H2O2) a 17,5%. titanPara isso, um volume de 5,0757 g da solução de peróxido de hidrogênio foi colocado em um recipiente esférico (8,7 ml).

Como mencionado anteriormente, o critério para reconhecer uma Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reação de decomposição exotérmica é uma Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento de > 0,02 K/min. Esse valor limite foi excedido a 90 °C (início) e, em seguida, a temperatura da amostra subiu para 151 °C em condições adiabáticas. Durante a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reação de decomposição, a pressão dentro do recipiente da amostra aumentou para 76,6 bar.

Existe uma maneira de impedir a fuga térmica?

A questão de saber se o descontrole térmico pode ser interrompido ou não está, é claro, fortemente relacionada à Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento. É necessário detectar a temperatura crítica ou o início do descontrole térmico, mas talvez nem sempre seja desejável permitir que a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reação de decomposição siga seu curso completo. Seria muito mais importante saber a temperatura ou a pressão até a qual uma reação que já tenha começado a sofrer descontrole pode ser interrompida novamente e colocada sob controle. A possibilidade de detectar o início da 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 de uma reação e, em seguida, impedir o autoaquecimento adicional desligando o ambiente 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, evitando assim a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reação de decomposição, já foi relatada em outro lugar [2]. Aqui, devemos tentar mostrar outra maneira de interromper uma reação de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição que acabou de começar, seguindo uma estratégia diferente. O vaso de reação é conectado por meio de uma linha de pressão e uma válvula a outro vaso, o chamado vaso de ventilação (figura 3). selectQuando a pressão da amostra é atingida, o software de medição abrirá a válvula do vaso de ventilação. Ao ventilar para esse vaso, a pressão no vaso de reação também deve diminuir. Isso pode ser suficiente para interromper o autoaquecimento e, portanto, reações consecutivas e secundárias não controladas.

Ventilação

Tanto o vaso de reação quanto o vaso de ventilação são equipados com um manômetro individual. Assim, o aumento da pressão pode ser monitorado após a abertura da válvula (veja V1 na figura 3). O volume do vaso de respiro de 250 ml, entretanto, é muitas vezes larger maior do que o volume do vaso de amostra, onde normalmente cerca de 5 ml de volume de gás permanecem acima da amostra. Por esse motivo, a pressão no recipiente de ventilação aumenta apenas de 1,0 bar para 1,13 bar após a abertura da válvula, enquanto a pressão no recipiente de amostra diminui de 10,0 bar para 1,0 bar ao mesmo tempo (figura 4).

A Figura 5 mostra os resultados de uma medição 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^®).HWS com água como substância de amostra, na qual o sinal de pressão aumenta de forma análoga ao sinal de temperatura e de acordo com as etapas de temperatura do programa 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^®).HWS. Nesse exemplo, a abertura da válvula de ventilação foi programada pelo software de medição em 2,0 bar. Pode-se ver facilmente que, com a abertura da válvula de respiro, não só a pressão no recipiente de amostra diminui de 2,0 bar para 1,0 bar, mas a temperatura no recipiente de amostra também diminui consideravelmente. Em um período de 60 minutos em que a válvula de ventilação permanece aberta, os aquecedores ao redor do calorímetro também acompanham a temperatura da amostra. Essa temperatura diminui de 108,4 °C para 96,8 °C e, embora o modo de medição adiabática permaneça ativado durante esse período, ou seja, os aquecedores circundantes acompanham a temperatura da amostra, não é possível determinar mais nenhum aumento na temperatura da amostra.

Agora, ao investigar a água como substância de amostra, pode-se esperar que não haja reação exotérmica. Em vez disso, foi confirmado que, quando não há reação exotérmica pela amostra, a temperatura da amostra diminui após a abertura da válvula de ventilação e, em seguida, permanece constante devido ao ambiente 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. Isso também é confirmado pela Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento da amostra na parte inferior da figura.

A investigação de uma solução de peróxido de hidrogênio de um por cento também não mostra mais aumento de temperatura após a abertura da válvula de ventilação a uma pressão de 3 bar no recipiente de amostra. No caso de uma solução de peróxido de hidrogênio a 2%, já é possível observar que a reação de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição exotérmica causada pela abertura da válvula de respiro e pela despressurização do sistema até a pressão atmosférica não é suficiente para suprimir totalmente a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição adicional. Isso resulta em uma Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento de 0,02 K/min. Para uma solução de peróxido de hidrogênio de quatro por cento (figura 6), uma Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento de 0,04 K/min ainda é detectada após a abertura da válvula de ventilação. As temperaturas e as taxas de autoaquecimento para as soluções de peróxido de hidrogênio discutidas estão resumidas na tabela 1.

Tabela 1: Resumo da temperatura e da Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento para várias soluções de peróxido de hidrogênio

Resumo

O NETZSCH 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^® 254 oferece duas possibilidades para recuperar o controle, se necessário, de reações em que 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 já tenha começado. Uma possibilidade é aquela em que os aquecedores circundantes são desligados quando a amostra atinge uma determinada Taxa de autoaquecimentoUm tipo especial de dispositivo calorímetro é usado para detectar a taxa de autoaquecimento de uma substância. O método relacionado é chamado de calorimetria de taxa acelerada (ARC^®). taxa de autoaquecimento, eliminando, assim, o ambiente 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 da amostra e possibilitando novamente as perdas de calor; o descontrole adicional da reação é então evitado por meio dessas perdas de calor [2]. A outra possibilidade, na qual a pressão pode ser removida do recipiente de amostra para outro recipiente de amostra (recipiente de ventilação) abrindo uma válvula de alívio de pressão (válvula de ventilação), foi apresentada nesta nota de aplicação. Medindo a pressão de forma independente, o aumento da pressão no recipiente de ventilação pode ser monitorado. Foi demonstrado que o progresso adicional em Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reações de decomposição fracamente exotérmicas pode ser interrompido por isso, enquanto reações mais fortemente exotérmicas continuam a apresentar autoaquecimento detectável mesmo depois que a pressão foi liberada.