中試放大與安全課件

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1、*,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀及工藝放大所產(chǎn)生的問題,1,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀及工藝放大所產(chǎn)生的問題 1,概要/導(dǎo)引,當(dāng)進(jìn)行工藝放大時(shí)，體積和表面積之間的關(guān)系,工藝放大所產(chǎn)生的影響，以及工藝放大對(duì)熱生成和熱損失率的影響。,熱容、濃度和,因子對(duì)潛在溫升的影響,生產(chǎn)規(guī)模對(duì)氣體釋放的影響,表明生產(chǎn)方式：,不同的工藝規(guī)模,不同的操作程序/反應(yīng)類型,要點(diǎn)總結(jié),2,概要/導(dǎo)引當(dāng)進(jìn)行工藝放大時(shí)，體積和表面積之間的關(guān)系 2,工藝放大對(duì)體積和表面積的影響,但是，增大反應(yīng)器的尺寸，體積和表面積并不會(huì)以相同的比例變化。,當(dāng)一個(gè)化學(xué)生產(chǎn)過程進(jìn)行工藝放大時(shí)，所有化學(xué)物質(zhì)的量都應(yīng)相應(yīng)地增加。,3,工藝放大對(duì)體積和表面積的影響 但是，增大反應(yīng)器

2、的尺寸，體積和,工藝放大對(duì)體積和表面積的影響,體積=1,cm,3,體積=1,m,3,(1,000,000 cm,3,),表面積=6,cm,2,面積=6,m,2,(60,000 cm,2,),當(dāng)進(jìn)行工藝放大時(shí)，體積的增加量要顯著高于表面積的增加量（實(shí)際差別取決于反應(yīng)器的幾何形狀）。,放大倍數(shù):,10,000,1,cm,1,cm,1,m,1,m,1,m,1,cm,放大倍數(shù):,1,000,000,4,工藝放大對(duì)體積和表面積的影響體積=1cm3,工藝放大對(duì)熱損失率的影響,存在的問題：,體積的增加量大于表面積的增加量，會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？,簡(jiǎn)單說來，在工藝放大過程中，潛在的發(fā)熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過容器的自然冷卻能

3、力。因此，大體積反應(yīng)器比小體積反應(yīng)器的冷卻速率慢得多。,總產(chǎn)熱量與反應(yīng)器內(nèi)物料的體積有直接的關(guān)系。但是，反應(yīng)器的自然冷卻能力卻與其表面積直接相關(guān)。,*,注：假設(shè)該容器沒有采用其他積極冷卻方式（冷卻夾套或冷卻盤管）。,5,工藝放大對(duì)熱損失率的影響 存在的問題：簡(jiǎn)單說來，在工藝放大,工藝放大對(duì)熱損失率的影響,當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)配料溫度高于環(huán)境溫度60時(shí)，不同體積反應(yīng)器的冷卻速率見下表：,0.3,0.0043,233,min,1.65,25,m,3,反應(yīng)器,1.18,0.0169,59,min,2.07,12.7,m,3,反應(yīng)器,1.61,0.023,43,min,2.83,5,m,3,反應(yīng)器,3.29,0

4、.047,21,min,3.55,2.5,m,3,反應(yīng)器,35,0.5,2,min,48.4,1000,ml,燒瓶,210,3,20,s,104.4,100,ml,燒杯,385,5.5,11,s,224.5,10,ml,試管,熱損失,*,(W/kg),冷卻速率,(,/min),冷卻 1,所需時(shí)間,(,SA/V),(m,-1,),體積,對(duì)象,(*用裝有80體積的水來測(cè)量),數(shù)據(jù)來源:,HarsNet,6,工藝放大對(duì)熱損失率的影響 當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)配料溫度高于環(huán)境溫度6,工藝放大對(duì)熱損失率的影響,因此，對(duì)于熱量的產(chǎn)生，我們知道：,反應(yīng)速率（和產(chǎn)生的熱量）隨著溫度的升高而增加。一般情況下，溫度每升高10,

5、K，,反應(yīng)速率升高1倍（對(duì)于正常的合成反應(yīng)來說）。分解反應(yīng)速率則可能增加更多的倍數(shù)（2）。,總熱量及熱釋放率與取決于反應(yīng)器內(nèi)現(xiàn)有反應(yīng)物料量；,熱量通過反應(yīng)器表面釋放；,7,工藝放大對(duì)熱損失率的影響 因此，對(duì)于熱量的產(chǎn)生，我們知道：,對(duì)熱損失率的影響,因此，隨著反應(yīng)規(guī)模的擴(kuò)大，產(chǎn)熱速率（與物料的體積有關(guān)）將會(huì)增加，并且高于容器的冷卻能力（與反應(yīng)器的表面積有關(guān)）。,如果產(chǎn)熱速率高于熱量損失速率，反應(yīng)器的溫度就會(huì)升高。,反應(yīng)器表面的冷卻,速率（面積）,熱量生成速率,（體積）,Temperature,8,對(duì)熱損失率的影響 因此，隨著反應(yīng)規(guī)模的擴(kuò)大，產(chǎn)熱速率（與物料,溫度、反應(yīng)速率與自然冷卻速率的關(guān)系如

6、下圖所示：,熱量產(chǎn)生,/,V,溫度,對(duì)熱損失率的影響,熱量釋放速率,熱失控,熱失控,冷卻速率(大體積),熱量損失,/,V,冷卻速率,冷卻速率(小體積),T,環(huán)境,T,臨界,(,小規(guī)模),T,臨界,(,大規(guī)模),9,溫度、反應(yīng)速率與自然冷卻速率的關(guān)系如下圖所示：熱量產(chǎn)生/,熱容的影響,熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每升高1個(gè)單位所需要的熱量（假設(shè)未發(fā)生相變，壓力恒定時(shí)用,C,P,來表示，體積恒定時(shí)用,C,V,來表示）。,為了理解熱容對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的影響，有必要定義“,絕熱溫升,”這個(gè)概念。,絕熱意味著沒有熱量釋放到環(huán)境中去，因此，“絕熱溫升”的意思就是反應(yīng)物沒有任何的熱量損失而出現(xiàn)的溫度升高。,所有

7、的反應(yīng)熱都用于加熱反應(yīng)物本身（絕熱溫升用,T,ad,來表示）。熱量沒有被環(huán)境或者反應(yīng)器吸收。那么“絕熱溫升”可用下式來計(jì)算：,H,反應(yīng)熱(,J),m,反應(yīng)物的質(zhì)量(,g),C,p,反應(yīng)物的熱容(,J K,-1,g,-1,),10,熱容的影響 熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每升高1個(gè)單位所需要的,熱容的影響,考慮下面的放熱反應(yīng)：,A +B C,將,B,加入到含有,A,的溶液中，溶液溫度為50,讓我們來看看選擇不同的溶劑會(huì)有什么樣的影響（水或者甲苯）,水的熱容大約是甲苯熱容的2.5倍,這就意味著，如果反應(yīng)在甲苯中進(jìn)行，所產(chǎn)生的溫升將大于在相同體積的水中所產(chǎn)生的溫升,為了理解這一點(diǎn)，我們假設(shè)一個(gè)典型的反

8、應(yīng)熱，且溶劑的體積為100,mL，A,和,B,的量均為10,g。（,也就是說，唯一可變的是溶劑的熱容）,11,熱容的影響 將B加入到含有A的溶液中，溶液溫度為5011,熱容的影響,以100,mL,水作為溶劑，計(jì)算得到絕熱溫升為27,K,以100,mL,甲苯作為溶劑，計(jì)算得到絕熱溫升為65,K,那么從潛在危害方面來說，這意味著什么呢？,12,熱容的影響 以100mL水作為溶劑，計(jì)算得到絕熱溫升為27K,熱容的影響,50,o,C,100,o,C,150,o,C,開始反應(yīng)時(shí)的溫度,110,o,C,溫,度,甲苯的沸點(diǎn),最高溫度,=115C,T,ad,=65K,在100,mL,甲苯中,注意，這是相同的反

9、應(yīng),在水中反應(yīng)，產(chǎn)生的絕熱溫升不會(huì)達(dá)到沸點(diǎn)；,在甲苯中反應(yīng)，產(chǎn)生的絕熱溫升剛好超過沸點(diǎn)（盡管甲苯的沸點(diǎn)高于水的沸點(diǎn)）；,這僅僅是由于溶劑熱容的不同。,水的沸點(diǎn),在100,mL,水中,T,ad,=27K,最高溫度,=77C,13,熱容的影響 50oC100oC150oC開始反應(yīng)時(shí)的溫度11,濃度的影響,反應(yīng)物的濃度也會(huì)影響總的溫升,和前面一樣，我們還是假設(shè)進(jìn)行下面這個(gè)反應(yīng)：,還是將,B,加入到含有,A,的溶液當(dāng)中，溫度為50，溶劑分別為水和甲苯，但用量均為前面使用的一半，即溶劑的體積為50,mL，,這樣反應(yīng)物的濃度將增加一倍。（切記住水的熱容大約是甲苯熱容的2.5倍）,因此，在50,mL,水中產(chǎn)

10、生的最大溫升將是49,K（,在100,mL,水中產(chǎn)生的溫升大約是27,K），,在50,mL,甲苯中產(chǎn)生的溫升大約是110,K（,在100,mL,甲苯中產(chǎn)生的溫升大約是65,K）。,A +B C,14,濃度的影響 反應(yīng)物的濃度也會(huì)影響總的溫升 還是將B加入到含有,熱容和濃度的影響,50,o,C,100,o,C,150,o,C,反應(yīng)開始時(shí)的溫度,110,o,C,溫,度,甲苯的沸點(diǎn),水的沸點(diǎn),77,C,T,ad,=27K,100,ml,水,115,C,T,ad,=65K,100,ml,甲苯,99,C,T,ad,=49K,50,ml,水,T,ad,=110K,165,C,50,ml,甲苯,注意，這是相

11、同的反應(yīng)，只是溶劑的熱容不同，溶劑的量也不相同（即濃度增加一倍)。,15,熱容和濃度的影響 50oC100oC150oC反應(yīng)開始時(shí)的溫,熱容/,因子的影響,我們來研究一下熱容和工藝過程中化學(xué)品的濃度是如何來影響實(shí)際溫升的；,另外一個(gè)需要考慮的因素是，反應(yīng)器的熱容對(duì)溫升的影響；,被反應(yīng)器吸收的熱量通常用下,式中的,因子,來表示:,=反應(yīng)器的熱容 +反應(yīng)器內(nèi)各物料的熱容,反應(yīng)器內(nèi)各物料的熱容,=1 +反應(yīng)器的熱容,反應(yīng)器內(nèi)各物料的熱容,16,熱容/因子的影響我們來研究一下熱容和工藝過程中化學(xué)品的濃,熱容/,因數(shù)的影響,這可能意味著，在實(shí)際反應(yīng)過程中，大約有50的熱量被用來加熱反應(yīng)器了；,這是個(gè)非常

12、重要的概念，因?yàn)楫?dāng)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，,因子通常會(huì)減小。,假設(shè)反應(yīng)器的熱容等于反應(yīng)器內(nèi)各物料的熱容，那么,2,=1 +反應(yīng)器的熱容,反應(yīng)器內(nèi)各物料的熱容,=2 (,如果反應(yīng)器和各物料具有相同的熱容,C,p,),+,反應(yīng)器的熱容,各反應(yīng)體的熱容,17,熱容/因數(shù)的影響這可能意味著，在實(shí)際反應(yīng)過程中，大約有5,例如：一個(gè)容積為250,mL,的多頸玻璃燒瓶里裝有100,mL,的甲苯，其,因子值約為2（大約有50的熱量被反應(yīng)器吸收）。然而，一個(gè)工業(yè)規(guī)模級(jí)的反應(yīng)器，其,因子值通常大約在1.01.05之間，即大約有,5的熱量被反應(yīng)器吸收。,熱容/,因子的影響,因此，當(dāng)將實(shí)驗(yàn)室成果應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，需要特別地注

13、意。,T=,50K,T=,100K,在這種情況下，如果在250,mL,的反應(yīng)器中測(cè)得的溫升為50,K，,那么在工業(yè)規(guī)模級(jí)的反應(yīng)器中測(cè)得的溫升可能是100,K（1）。,18,例如：一個(gè)容積為250mL的多頸玻璃燒瓶里裝有100mL的甲,生產(chǎn)規(guī)模對(duì)氣體釋放的影響,如果氣體的產(chǎn)生速率大于氣體逸出容器的速率，那么容器內(nèi)的壓力必然會(huì)升高。,氣體逸出容器的速率,(,通過泄爆口),氣體/蒸氣,的產(chǎn)生速率,Pressure,一個(gè)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和熱量的多少，直接與反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物質(zhì)量的多少有關(guān)；,然而，氣體不像熱量那樣會(huì)從系統(tǒng)中損失掉。因此，對(duì)此僅僅需要按照物料增加的比例將實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接放大。,在生產(chǎn)工藝過程中

14、，較慢的氣體釋放可能不會(huì)有什么危害，只是會(huì)給收集和儲(chǔ)存帶來問題。該評(píng)估需要進(jìn)行精確的測(cè)試。,19,生產(chǎn)規(guī)模對(duì)氣體釋放的影響 如果氣體的產(chǎn)生速率大于氣體逸出容器,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,化工生產(chǎn)過程中的危害主要與化學(xué)合成、工藝操作和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)。,一般來說，規(guī)模為1000,L,的生產(chǎn)過程比規(guī)模為100,mL,的生產(chǎn)過程需要進(jìn)行更多的危害測(cè)試。,在,AstraZeneca,，生產(chǎn)規(guī)模基本分為下面3個(gè)級(jí)別：,實(shí)驗(yàn)室開發(fā)：2,L,大規(guī)模試驗(yàn)（中試）：100,L,工業(yè)生產(chǎn)：100,L,20,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模 化工生產(chǎn)過程中的危害主要與化學(xué)合成、工藝,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,實(shí)驗(yàn)室開發(fā)：要保證安全，應(yīng)具有以下幾

15、個(gè)條件：,沒有爆炸性化合物,操作規(guī)模相對(duì)較小,有保護(hù)屏,或,通風(fēng)櫥,保護(hù),如果沒有使用任何爆炸性化合物，但依然出現(xiàn)了一些不安全狀況，那么通風(fēng)櫥就可承受這類小的事故。（其安全基準(zhǔn)（,BoS）,就是屏蔽事故（耐爆）,21,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模實(shí)驗(yàn)室開發(fā)：要保證安全，應(yīng)具有以下幾個(gè)條件,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,當(dāng)采取了適宜的預(yù)防措施后，發(fā)生的小事故就可以被通風(fēng)櫥中屏蔽了。,22,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模當(dāng)采取了適宜的預(yù)防措施后，發(fā)生的小事故就可,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,工藝放大要有限度；,使用“自評(píng)表”,仔細(xì)評(píng)估危險(xiǎn)測(cè)試水平,大規(guī)模實(shí)驗(yàn)：要保證安全，應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：,23,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模工藝放大要有限度；大規(guī)模

16、實(shí)驗(yàn)：要保證安全,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,1000,ml,10,L,100,L,有限的放大：,在這次演講的前面部分我們已經(jīng)看到：將生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大是如何導(dǎo)致工藝過程不安全的。這是因?yàn)楫?dāng)放大后，熱量生成速率要比熱量移除速率更高；,如果采用逐漸放大的方式，與生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)的危險(xiǎn)就不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。這需要過程安全方面的專家來判定。,1,m,3,24,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模1000ml10L100L有限的放大：如,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,如果有熱量和氣體產(chǎn)生，應(yīng)該采取哪些措施 來控制熱量和氣體產(chǎn)生速率？,是否在文獻(xiàn)中核實(shí)了與反應(yīng)物、副產(chǎn)物、中間體和產(chǎn)物相關(guān)的危害？,例如：,使用自我評(píng)價(jià)表：,當(dāng)工藝以更大的規(guī)模運(yùn)行前，大規(guī)模實(shí)驗(yàn)化學(xué)工程師應(yīng)該向工藝開發(fā)階段的化學(xué)工程師詢問一系列基本問題。,該反應(yīng)過程是否有氣體釋放出來？,該反應(yīng)過程是否放熱？,25,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模如果有熱量和氣體產(chǎn)生，應(yīng)該采取哪些措施 來,生產(chǎn)方式/生產(chǎn)規(guī)模,危害測(cè)試水平,一個(gè)正在運(yùn)行中的工藝過程是否有必要進(jìn)行危害測(cè)試，這需要進(jìn)行評(píng)估判定。這項(xiàng)評(píng)估應(yīng)該由具有豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平的工藝安全專家來進(jìn)行。,這項(xiàng)工作是基于文獻(xiàn)搜索結(jié)果和對(duì)“自