更安全的批量和半批量反应扩大的一般策略-与Richard Kwasny博士，高级咨询工程师，Fauske & Associates, LLC
热失控事件继续发生在批量生产设施化学和
制药行业。严重事件可能导致死亡，伤害，资本损失和业务中断。尽管化学/制药行业的最佳努力是负责任的，但主要的事件整体上为这个行业施加负面灯光。为了防止发生事件，需要所有研发，过程开发和批量生产设施，以便在包括健全的安全管理系统的地方进行有效的过程安全策略。在扩大之前，对所有过程化学品的反应性以及两个所需反应的能量有关至关重要，定义最坏情况，表征导致导致的不良反应，并理解如何减轻过程安全影响。如果可能或使用的危险材料可能或更少的有害物质，必须重新设计不能充分控制的过程。
本文试图提供指导方针，可作为开发和设计更安全的新工艺的基础。根据OSHA过程安全管理1910.119、危害沟通1910.1200和一般责任条款的部分要求，它也可以用于识别现有过程进行定期审查时的过程安全信息缺口。
热失控反应的原因
研究确定热失控反应的发生有以下四个原因:
- 理解过程化学和所需反应的能量/动力学不足，
- 植物水平所需的传热容量不当设计，
- 对包括植物安全备用系统的不良反应和控制的理解不足，以及充分的应急通风，以及
- 不完善的批处理程序和操作人员培训不足。
永远不要因为一种化学品属于低危害等级而认为它是不危险的。许多事故涉及的材料有NFPA危险等级0和1。最好是制定一个适当的测试程序，以识别和表征各种工艺条件下的所有反应材料和反应混合物。如果贵公司没有测试设施，Fauske & Associates将很高兴与您合作，识别并进行适当的测试。随后，可以使用工艺危害分析来分配适当的控制和保障措施，以降低不良事件的风险。重要的是要记住更新流程安全信息，因为流程在其生命周期中会发生更改。中期工艺安全信息报告可以作为技术转移的参考，因为工艺规模从研发、kilo-lab、中试工厂到商业生产阶段。一旦流程设定好，最终的流程安全报告就可以供内部或外包机构的各种终端用户使用。在制定安全文件时，重要的是要记住，它必须符合公司政策和程序以及国家和地方法规。
处理安全考虑因素
在进行工艺安全危害评估时，应考虑下列各项。
初步危险评估：
- 确定热稳定性在最坏情况下所能达到的最低和最高工艺温度范围内的所有反应组分/混合物，
- 识别试剂和溶剂之间的不需要的相互作用，
- 识别可能对期望反应有抑制或催化作用的潜在反应污染物。
定量所需反应：
- 确定所需和淬火反应的反应热和废气速率，包括试剂积累或缓慢形成的中间体所产生的热量，
- 确定反应的最大绝热温度，并确定相对于反应混合物的估计沸点的安全性，以及
- 了解所有化学反应的相对率。
不良反应的量化:
- 评估反应混合物在宽温度范围内的热稳定性
- 在优化该方法的稳健性时，考虑其他反应变量，例如pH，浓度，转化率，溶液中的起始和产物底物的稳定性和浆料
- 考虑不需要的气相反应的潜力和影响，以及
- 为反应混合物中存在的材料进行化学相互作用基质，分类反应性，并将这些信息传达给运营人员
植物考虑因素：
- 进行基本能量平衡以考虑各种添加期间的热量，在化学反应过程中产生的热量，以及植物反应器系统的散热能力。记得将反应堆搅动作为能量来源，
- 考虑可能偏差与预期的反应收费和操作条件的影响，
- 识别连接到反应容器的所有热源，并呈现最大可能的最坏情况场景，
- 确定反应炉传热流体冷却反应混合物的最低温度，即涂层传热表面的影响
- 考虑温度梯度和其他问题的影响，例如在植物级设备中增加粘度，在反应堆墙壁，污垢等，冻结。
一般化学与工程设计理念：
- 如有可能，设计相当迅速发生的反应，
- 除非绝对必要，否则避免在反应开始时存在所有潜在化学能的批次反应，
- 使用半批处理方法进行放热反应，其中可以通过控制的试剂加入批量温度和任何脱气，
- 对于高度放热的反应，避免将反应混合物的温度控制作为限制反应速率的唯一手段，并且
- 当放大反应时，考虑容器大小对产热和排热的影响:反应混合物的体积增加容器半径的立方，但湿传热面积只增加半径的平方。
应使用适当的估计和实验技术进行全面的危害评估，以识别材料的潜在反应危害，以及所需的和不良反应。根据需要，我们使用估计技术，差示扫描量热法（DSC），高级无功系统筛选工具（ARSST）和反应量热法（RC）。鉴定任何不利或热失控的反应，并使用绝热性量热法表征它们，例如电弧（加速速率量热法）或ARSST。如果需要，可以使用使用绝热通风尺寸包2（VSP2;使用温度的专业绝热热量计的数据，使用用于使用压力释放系统（DIERS，AICHE行业联盟）方法的特定反应器的紧急通风口尺寸。，压力和速率数据允许施加应急通风口）或ARSST。
有时，有必要使用专门的设备或技术来获得关于独特或特定植物条件下的反应或分解率的动力学信息，即热活性监测器（TAM）或AKTS动力学。这是一个专业知识所需的领域，Fauske和Associates能够帮助您规划和设计这些类型的测试。
培训:
重要的是要具有适当的危险警告的清晰，简洁和明确的批处理方向，以清楚地解释必须在过程中的每个步骤中所做的内容，包括确定所需的保障措施。应由由化学家，工程师，工艺安全，运营和环境人员组成的团队审查和批准的指示，包括工厂管理。根据需要，所有运营商必须在方向上培训，包括特定的工程控制，工作实践和个人防护设备。必须升级培训，因为该过程已修改，必须记录。
结论
具有记录的过程安全策略或程序，允许以统一的方式危害识别和组织过程安全信息的标准化方法。如果我们对所有流程进行危险评估，它会促进安全文化，避免对如何以及为什么进行测试以及需要其他基本信息，允许对测试结果/信息进行适当和一致的解释，确保过程安全信息是全面的，可以通过各种最终用户使用。鼓励读者根据其特定情况的需要，将植物特定的项目或问题添加到本文所需的指导方针。
如需了解更多关于如何以更安全的方式扩大化学反应的信息，Fauske & Associates, LLC将进行培训，或请致电630-323-8750或与我们联系info@fauske.com额外的信息。
参考文献
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- Kwasny, Richard S.，“减少反应的危害评估策略”，南岸大学，伦敦，1999。
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- Bretherick, L.，“Bretherick反应性化学危害手册”，第七版，Butterworth Heinemann, 2008。
- Stoessel，F.，“化学过程的热安全：风险评估和工艺设计”，Wiley-VCH，2008。
- 梅立德，2004。《十字路口的化学过程安全》，《环境健康展望》，112:a332-a333。doi: 10.1289 /有效马力。112 - a332, 2004。
