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A closed pressure vessel test (CPVT) screen for explosive properties of energetic organic compounds
(2007)
Results of a round-robin test on a mini-autoclave are reported and previously proposed criteria reviewed. Criteria based upon the results for three standard materials are now put forward. These standards-based criteria, in contrast to numerical criteria, theoretically allow any laboratory to utilize the data accumulated to date, irrespective of the equipment used. The practical requirement is that adequate discrimination can be achieved. Data to assess this are given.
Exotherme Reaktionen verursachten in der Vergangenheit im industriellen Maßstab immer wieder Unfälle. Deshalb ist die Kenntnis des Gefahrenpotentials einer chemischen Reaktion sowohl im Normalbetrieb als auch bei Abweichungen davon eine Voraussetzung für eine sichere Prozessführung. Mit der Veröffentlichung der Technischen Regel für Anlagensicherheit (TRAS) 410 "Erkennen und Beherrschen exothermer Reaktionen" im Jahr 2001 existiert für chemische Stoffumwandlungen im Industriemaßstab eine auf dem Stand der Sicherheitstechnik basierende Anleitung zur systematischen Identifizierung von Gefahren, zu deren Bewertung und zur Erstellung von Maßnahmen, um Störfälle zu verhindern. Betrachtet wird dabei vorrangig die thermische Prozess-Sicherheit. Ein erhöhtes Gefahrenpotential besitzen exotherme Reaktionen an denen wie im vorliegenden Fall organische Peroxide beteiligt sind. Diese Verbindungsgruppe ist für ihre thermische Instabilität bekannt. In dieser Arbeit wird die unter basischen Bedingungen, zweistufig ablaufende Umsetzung von tert.-Butylhydroperoxid (TBHP) mit Pivaloylchlorid zum tert.-Butylperoxypivalat (TBPP) untersucht. TBHP, das auftretende Zwischenprodukt und TBPP gehören zur Stoffgruppe der organischen Peroxide. Bei der Bewertung der thermischen Prozess-Sicherheit der TBPP-Synthese wurde entsprechend der TRAS 410 vorgegangen. Die thermische Stabilität der beteiligten Stoffe wurde mit thermoanalytischen Screening-Methoden untersucht und die Reaktion durch kalorimetrische Untersuchungen charakterisiert. Die formale Anwendung der 100 K-Regel zur Festlegung der Grenztemperatur Texo, bei der alle an der Reaktion beteiligten Stoffe unter Verfahrensbedingungen sicher handhabbar sind, beträgt -36 °C. Bei dieser Temperatur ist der Prozess nicht durchführbar, da einzelne Reaktionskomponenten auskristallisieren und die Reaktion nicht wie gewünscht stattfinden kann. Anhand zusätzlicher Untersuchungsergebnisse zur Zersetzungskinetik des Produktes wird erläutert, dass im vorliegenden Fall von der o. g. Regel abgewichen werden kann. Als minimale Prozesstemperatur wurden 0 °C und als maximale Prozesstemperatur 20 °C festgelegt. Der Normalbetrieb wird im Rahmen der festgelegten Verfahrensparameter als sicher bewertet. Die Reaktion läuft dosierkontrolliert ab, eine Akkumulation tritt nicht auf. Aufgrund der geringen Differenz zwischen maximaler Prozesstemperatur und Onset-Temperatur der Zersetzung, besteht bei geringen Abweichungen vom Normalbetrieb die Gefahr, die unkontrollierte Zersetzung des Produktes einzuleiten. Temperaturanstieg und Gasproduktion führen zum Überschreiten der Auslegungsparameter der Anlage. Um die Reaktion durchführen zu können, müssen unbedingt vorbeugende als auch auswirkungsbegrenzende Maßnahmen getroffen werden. Abschließend wird mit Hilfe dimensionsloser Kenngrößen die Maßstabsübertragung mit dem Ziel vorgenommen, Grenzen für Reaktionsvolumina und Dosierzeiten festzulegen.
Exothermic reactions involving organic peroxides carry a high potential hazard and must be considered with care. A safe handling requires, among others, the assessment of thermal process safety, for which safety characteristics like overall heat production and the resulting adiabatic temperature rise are essential. The article presents the results of the calorimetric investigation of the synthesis of four peroxycarboxylic esters, three tert-Butyl and one tert-Amyl peroxycarboxylic ester. In the two-step synthesis the second one clearly shows the higher exothermic potential. The overall heat production lies in the range of 126135 kJ/mol and is nearly independent of the carboxylic acid residual in the tert-Butyl peroxycarboxylic ester. The calculated adiabatic temperature rise is 7080 K. Influence of temperature and feed rate on the heat generation is discussed for one species. A grading of the synthesis with respect to temperature levels according to the criticality classes by Stoessel leads to the most critical for an exothermic reaction.
For the industrial production of chemicals a safe process design is required to avoid harm to people and
environment. It becomes tremendous important if one or more of the following points are characteristic for
the synthesis: high heat release, explosive atmosphere, presence of toxic and/or of thermal unstable substances.
One substance group, known for being unstable, is the group of organic peroxides. They are potential
high energetic substances. Many syntheses of organic peroxides are carried out in semi-batch
mode to control the heat release in a good manner. With the aim to increase process control, the advantages
of continuous reaction mode, combined with micro reaction technology, are used for the synthesis
of one specific organic peroxide in this work.
This approach is not only characterised by shorter residence time, good heat transfer, but also by smaller
quantities of managed chemicals, and, therefore, by a lower hazard potential. Often yield and selectivity
can be improved additionally.
For the study a peroxyester, namely tert-Butyl peroxy-2-ethylhexanoate (TBPEH), with known thermal
hazard potential was chosen. The two phase liquid/liquid reaction was carried out in three types of reactors.
A small scale tubular reactor, stressed by ultrasound, and two different micro structured reactors were
used. One of them had a meandering and the other a split-and-recombine channel structure. Synthesis
temperature was also varied.
From preliminary studies it was known that the side reaction of the involved carboxylic acid chloride to the
corresponding acid can become more important in continuous mode compared to semi-batch mode. The
effect of reactor type and temperature on selectivity and therefore yield of TBPEH was analysed and compared.
In result the reaction could be carried out in a safe manner. The high heat-exchanging efficiency of the
used reactors and the short residence time allowed synthesis temperature near the onset temperature of
decomposition of TBPEH. In relation to the results of the capillary tube and of the reactor with meandering
channel structure (MR), the results for the split-and-recombine reactor (SAR) showed the best trend line.
Further studies have to underline the result. Compared to the traditional reaction path (the semi-batch
mode), a higher space time yield could be achieved. This promising information is accompanied by the fact
of low reaction volumes. In consequence the productivity is low without a numbering up of reaction channels
or a scaling up of it. The nowadays existing philosophy of producing a specific quantity of product by a
company, followed by the transport to the costumer may change. Just organic peroxides, used in small
quantities, e.g. as initiators for polymerisation processes or as resin hardeners, provide the opportunity for
an on-demand-production.