Discontinuous process safety : passive protections and transition to continuous processes

The chemical process industry has evolved during the years from the sole production of commodity chemicals to more specialised products. Discontinuous (batch) reactors were mainly used for the production of fine chemicals with a high added value, such as pharmaceutical intermediates and polymers. Nowadays, the demand of these chemicals has increased and industries want to produce them more efficiently or in larger quantities. Therefore, attention is drawn to safety issues which may arise because of the larger volumes involved in the reaction processes using batch reactors. Discontinuous processes suffer from poor thermal efficiency due to the low ratio between the heat-exchange surface and volume of the reactor. Proper safety devices/measures must be included in the reactor design to face accidental scenarios originating from possibly undesired, exothermic reactions, which could lead to runaway (loss of thermal control). These methods can be grouped in means called ``passive protections'', those countermeasures which take place once the accidental scenario is happening. Another solution is to design new processes which are intrinsically safer, by exploiting reactors that are more thermally efficient and possibly with reduced volumes. This can be done by shifting the discontinuous process to a continuous one, as done in the so-called ``process intensification''. Continuous reactors usually involve smaller volumes with respect to their discontinuous counterpart and also gain the advantage of producing chemicals with a constant quality (no batch-to-batch differences). The transition from batch to continuous processes belongs to the ``inherent safety measures'', those protections which are applied at the design phase, to make the system intrinsically safer. Even though inherently safer measures are more efficient than passive protections, small industries may not be able to afford a complete or partial process revamping/redesign, thus both protection methods are of interest to industries. The design of protections can be done in several ways. The use of phenomenological models can greatly help the understanding of the physical-chemical processes involved in the studied system. These methods can give reliable predictions of the system behaviour under different conditions (even during accidental scenarios), but require a large amount of information. For this reason these methods can be called ``data-intensive''. The information required by such models can be obtained via experimental means, but often these experiments require infeasible times (and considerable investments) for industries, which prefer to rely on rules of thumb. Consequently, the knowledge of the phenomena involved in many industrial processes is limited. The aim of this research project is to develop new protection methods which do not require much information and can be easily applied by the practitioner in the industry. These methods will be based on phenomenological models (thus respecting the physical-chemical constraints of the system), but will not require as much information as the original models. For this reason these methods will be called ``data-meagre''. These methods will be also compared to data-intensive methods to show the advantages of the proposed methodologies. Regarding passive protections, a data-intensive model for a fire accidental scenario (jet fire impinging an unprotected batch reactor, triggering a runaway reaction in a domino effect) is developed to determine the maximum intervention time within which some countermeasure should be taken. A data-meagre method for the design of emergency relief systems is also proposed, in order to quickly design the filling level of the reactor in order to guarantee a safe discharge of the batch reactor contents using the pre-installed emergency system in the case of a runaway accidental scenario. The amount of information required by the first method is way larger than the second method: the former requires the complete knowledge of physical, chemical, and geometrical properties of the system, while the second requires few, easily-measurable quantities. For what concerns inherently safer designs, a data-intensive model is developed for the polymerisation of acrylic acid in a semi-batch reactor, which is then converted into a (safer) continuous process. A method for the kinetics-free transition of an existing semi-batch reactor into a continuous one (using a tubular reactor with distributed and local injections) is developed. This method is effectively able to transform any discontinuous process into a continuous one without requiring the user to know the chemical kinetic details of the synthesis involved. The method is accompanied by a study on the proper design of a coiled, tubular reactor (in terms of residence time distribution) in order to provide a practical tool for the batch-to-continuous transition. A data-meagre method for the exploration of a chemical design space is developed to provide a simple mean to develop a new process in a continuous fashion. This last method can thus be used to obtain a good indication of the optimal reaction conditions of a chemical process. The full modelling of the process required much information (regarding the reaction mechanism) and many experiments for the determination of the kinetic parameters. On the contrary, the developed methodology for the batch-to-continuous transition requires very few, easily measurable quantities. The developed method for the design space exploration does not require any information regarding the chemical system and thus becomes a very powerful tool for optimisation in practice. The comparison outlined in this research shows how the use of data-meagre methods can be an effective tool for industrial practice. The demand of fewer information can help industries saving time (and money) and thus protecting their processes according to needs.

L'industria chimica di processo si è evoluta negli anni dalla produzione di prodotti di largo consumo verso prodotti ad alto valore aggiunto. I reattori discontinui (batch) venivano principalmente usati per la produzione a campagna di prodotti specifici, in particolare nell’industria farmaceutica e dei polimeri. Oggigiorno la più alta richiesta di questi prodotti ha portato le industrie a cercare processi più efficienti e con produttività più alte. A causa dei maggiori volumi coinvolti nelle sintesi discontinue, può nascere un problema di sicurezza, anche a causa della scarsa efficienza termica dei reattori batch, dove l’area di scambio è ridotta rispetto al volume di reazione. Di conseguenza degli opportuni dispositivi e misure di sicurezza devono essere inclusi nel progetto del reattore così da mitigare dei possibili eventi incidentali che nascono da eventuali reazioni esotermiche indesiderate con il conseguente pericolo di runaway (perdita del controllo termico). Questi metodi di protezione possono essere raggruppati nelle cosiddette “protezioni passive”, quelle contromisure adottate quando l’evento incidentale è in atto. Una soluzione alternativa è quella di progettare nuovi processi con una sicurezza intrinseca, sfruttando delle configurazioni reattoristiche con una migliore efficienza termica e un minore volume. Questo può essere fatto trasformando il processo discontinuo in uno continuo, come fatto nel campo della cosiddetta “intensificazione di processo”. I reattori continui, oltre a essere più termicamente efficienti rispetto ai reattori discontinui, permettono anche di avere una produzione a qualità costante (senza differenze tra lotti). Il passaggio da processi batch a continui rientra perciò nella classe delle misure di sicurezza intrinsecamente sicure, cioè tutte quelle protezioni applicate in fase di progetto per rendere il processo più sicuro. Queste misure risultano più efficaci delle protezioni passive, ma le piccole imprese possono non essere in grado di permettersi una modifica così sostanziale (spesso totale) del processo, per cui entrambi i metodi di protezione sono d’interesse industriale. Il progetto delle protezioni può essere fatto in modi differenti, per esempio utilizzando dei modelli fenomenologici che aiutano la comprensione dei processi fisico-chimici coinvolti nel sistema d’interesse. Questi metodi possono fornire delle accurate predizioni dei comportamenti del sistema in diverse condizioni (anche durante scenari incidentali), ma richiedono una grande mole di informazioni. Per questa ragione questi metodi possono essere definiti “data-intensive”. Le informazioni necessarie per questi modelli possono essere ottenute sperimentalmente, ma spesso questi esperimenti richiedono tempi troppo lunghi e investimenti eccessivi per le industrie, che preferiscono basarsi sull’esperienza pratica, con una conseguente conoscenza superficiale dei processi fondamentali coinvolti. L’obiettivo del progetto di ricerca è lo sviluppo di nuovi metodi di protezione che non richiedano molte informazioni e che siano quindi facilmente utilizzabili nella pratica industriale. I metodi sviluppati sono basati su modelli fenomenologici, così da rispettare i vincoli fisici dei sistemi, ma senza richiedere la stessa quantità di informazioni del modello originale, diventando così dei metodi “data-meagre”. Per quanto riguarda le protezioni passive, un modello completo (data-intensive) per la simulazione di uno scenario incidentale (jet fire che investe parzialmente un reattore batch causando un runaway in un effetto domino) è stato sviluppato per determinare il tempo massimo di intervento entro cui le dovute contromisure devono essere adottate. Un metodo data-meagre è poi stato sviluppato per il progetto dei dispositivi di scarico d’emergenza, con l’obiettivo di scegliere il grado di riempimento iniziale di un reattore, all’interno del quale avviene una reazione runaway, che garantisca uno scarico sicuro attraverso un sistema di sicurezza preinstallato. La quantità di informazioni richiesta dal primo metodo è di gran lunga superiore a quella richiesta dal secondo: il primo richiede la conoscenza di tutti i parametri fisici, chimici e geometrici, mentre il secondo richiede solo poche informazioni facilmente misurabili. Per quanto concerne i metodi di progettazione di apparecchi intrinsecamente sicuri, è stato sviluppato un modello completo della polimerizzazione dell’acido acrilico in un reattore semi-batch per poi operare la transizione in continuo del processo. È stato poi sviluppato un metodo data-meagre che non richiede alcuna informazione sulla cinetica di reazione per trasformare un processo semi-batch in uno continuo per mezzo di un reattore tubolare con iniezioni laterali distribuite. Questo nuovo metodo è in grado di riprodurre il processo discontinuo originale in termini di qualità, ma coi vantaggi di sicurezza dei processi continui. Il metodo è poi accoppiato con uno studio sul progetto di reattori tubolari avvolti a elica per la valutazione della distribuzione dei tempi di residenza, così da fornire un metodo pratico per la transizione da batch a continuo. Un ultimo metodo data-meagre è stato sviluppato per il progetto di nuove sintesi in continuo in grado di fornire una buona indicazione delle condizioni ottimali di processo. La modellazione completa del processo richiede una grande mole di informazioni (in particolare sulla cinetica di reazione) ottenute attraverso un gran numero di esperimenti. Al contrario i metodi proposti per il passaggio al continuo non richiedono alcuna informazione cinetica diventando per cui degli utili strumenti pratici di ottimizzazione. Il confronto delineato in questa ricerca mostra come l’uso di metodi data-meagre sia di grande utilità nella pratica industriale. La richiesta di poche informazioni aiuta quindi l’industria a risparmiare tempo (e denaro) garantendo al contempo la sicurezza dei processi.