Politechnika Poznańska

Wydział Technologii Chemicznej

Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej

Zakład Inżynierii i Aparatury Chemicznej

EKSPLOATACJA I BEZPIECZEŃSTWO PROCESOWE

RAPORT O BEZPIECZEŃSTWIE

rok akademicki 2012/2013	rok studiów IV	grupa projektowa nr 18 Haenel Joanna Jujka Justyna Kaźmierczak Magdalena Ścibek Magdalena
data oddania 06.12.2012	sprawdził dr inż. P. Mitkowski	ocena

SPIS TREŚCI

1. Cel i zakres projektu 3

2. Opis ogólny procesu i charakterystyka produktu 4

3. Schemat instalacji produkcyjnej 6

4. Elementy instalacji i plan zakładu 7

5. Lokalizacja zakładu produkcyjnego 9

6. Analiza HAZOP 12

7. Drzewa logiczne 15

8. Drzewa zdarzeń 17

9. Analiza FMEA 19

1. CEL I ZAKRES PROJEKTU

Zadaniem naszej grupy jest sporządzenie raportu o bezpieczeństwie uwzględniającego wymogi zawarte w rozporządzeniu Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej
z dnia 29 maja 2003 roku w sprawie wymagań, jakim powinien odpowiadać raport
o bezpieczeństwie zakładu o dużym ryzyku (ze zmianami z dnia 12 września 2005 roku).

W raporcie szczególny nacisk ma być położony na następujące aspekty:

- lokalizacja zakładu i instalacji,

- analiza ryzyka dotyczącego jednego z elementów instalacji według podziału instalacji w rozdziale 4,

- określenie i opisanie możliwych scenariuszy awarii,

- zalecenia dotyczące możliwości zwiększenia bezpieczeństwa instalacji,

- karty charakterystyki substancji występujących w instalacji.

W analizie ryzyka dotyczącego jednego z elementów instalacji należy wykorzystać metody
i techniki omówione w czasie zajęć bądź wskazane przez prowadzącego.

2. OPIS OGÓLNY PROCESU ORAZ CHARAKTERYSTYKA PRODUKTU

Proces dotyczy produkcji estru propionianu propylu (ProPro), który jest szeroko stosowany jako rozpuszczalnik. Poniższa reakcja przedstawia syntezę estru z propan-1-olu oraz kwasu propanowego:

C₃H₇OH + C₂H₅COOH ↔ C₂H₅COOC₃H₇ + H₂O

Stosowanym katalizatorem jest kwasowymienny Amberlyst 46 ^TM. Największą wydajność katalizator uzyskuje w temperaturze 100 – 120 °C, eliminując przy tym prawie całkowicie reakcje uboczne.

Charakterystyczną cechą procesu jest powstawanie azeotropów oraz występowanie granicy mieszalności pomiędzy trzema składnikami (ester, woda, alkohol). Dzięki temu istnieje możliwość rozdzielenia destylatu w procesie dekantacji na destylat organiczny i wodny.

Proces odbywa się w sposób ciągły.

Elementy instalacji:

- kolumna rektyfikacyjna reaktywna

- wymienniki ciepła

- kondensator

- moduł membranowy wyposażony w membranę Sulzer Pervap ^TM 2201(D)

- zbiorniki substratów i produktów

- rurociągi

- aparatura kontrolno-pomiarowa (przepływomierze, manometry, termometry, zawory)

Charakterystyka produktu:

- bezbarwna ciecz o owocowym zapachu

- łatwopalny materiał

- tworzy mieszaniny wybuchowe z powietrzem w podwyższonej temperaturze

- gęstość: 0,88 g/cm³ w temperaturze 20 °C

- temperatura topnienia: -76 °C

- temperatura wrzenia: 123 °C przy ciśnieniu 1,013 hPa

- temperatura zapłonu: 22 °C

- rozpuszczalność w wodzie: 5 g/l w temperaturze 20 °C

- lepkość dynamiczna: < 30 mPa · s

Zastosowanie:

- rozpuszczalnik

- przemysł farb i lakierów, a także tworzyw sztucznych

Pierwsza pomoc:

- po wdychaniu: dostęp do świeżego powietrza

- w razie zatrzymania oddechu: sztuczna resuscytacja, natychmiast wezwać lekarza

- w razie kontaktu ze skórą: przemyć dużą ilością wody, zdjąć zanieczyszczoną odzież

- po dostaniu się do oczu: przepłukać dużą ilością wody

- po połknięciu: nie powodować wymiotów, wezwać lekarza

Środki higieny:

- używać odpowiedniej odzieży ochronnej

- myć ręce po pracy z substancją

- zadbać o ochronę twarzy, oczu i rąk poprzez stosowanie okularów, masek i rękawiczek

Wskazówki dotyczące bezpiecznego przechowywania:

- przechowywać z dala od otwartego ognia, gorących powierzchni i źródeł ciepła i zapłonu

- zapewnić odpowiednią wentylację pomieszczenia

- przechowywać w zbiorniku szczelnie zamkniętym

- chronić przed światłem

- przechowywać w temperaturze 15 ÷ 25 °C

Środki ochrony środowiska:

- nie dopuścić do przedostania się do wód, ścieków, lub gleby

- nie wylewać do kanalizacji – ryzyko eksplozji

3. SCHEMAT INSTALACJI PRODUKCYJNEJ

4. ELEMENTY INSTALACJI I PLAN ZAKŁADU

Magazynowanie reagentów:

1) kwas propanowy

masa molowa: 74,04 g/mol

gęstość: d = 0,99 g/cm³

natężenie przepływu: F = 1,8 kg/h

objętość: V = F/d = 1,82 · 10^-3 m³/h

dzienne zużycie: 24 · V = 24 · 1,82 · 10^-3 = 0,044 m³

roczne zużycie: 365 · 0,044 = 16,06 m³

2) propan-1-ol

masa molowa: 60,1 g/mol

gęstość: d = 0,80 g/cm³

natężenie przepływu: F = 2,2 kg/h

objętość: V = F/d = 2,75 · 10^-3 m³/h

dzienne zużycie: 24 · V = 24 · 2,75 · 10^-3 = 0,066 m³

roczne zużycie: 365 · 0,066 = 24,09 m³

3) propionian propylu

masa molowa: 116,15 g/mol

gęstość: d = 0,88 g/cm³

natężenie przepływu: F = 1,083 kg/h

objętość: V = F/d = 1,23 · 10^-3 m³/h

dzienne zużycie: 24 h · V = 24 · 1,23 · 10^-3 = 0,03 m³

roczne zużycie: 365 · 0,03 = 10,95 m³

Przy doborze zbiorników kierowano się zasadą 20% nadmiaru objętości zbiornika. Na podstawie katalogu firmy Termochem dobrano zbiorniki do przechowywania reagentów:

- dla kwasu propanowego 2 zbiorniki o objętości 10 000 l o średnicy 2,0 m i wysokości 3,53 m

- dla propan-1-olu 3 zbiorniki o objętości 10 000 l o średnicy 2,0 m i wysokości 3,53 m

- dla propionianu propylu 3 zbiorniki o objętości 5 000 l o średnicy 1,5 m i wysokości 3,05 m

Dobrano kolumnę rektyfikacyjną o średnicy 4 m i wysokości 11 m.

Uproszczony schemat rozmieszczenia instalacji:

5. LOKALIZACJA ZAKŁADU PRODUKCYJNEGO

Zakład chemiczny specjalizujący się w produkcji propionianu propylu zlokalizowano w Łódzkiej specjalnej Strefie Ekonomicznej – Podstrefa Kutno. Obszar ten należy do gminy Kutno, w powiecie kutnowskim, w województwie Łódzkim.

Zakład oddalony jest od centrum Kutna w odległości 10 km, natomiast najbliżej położonymi miastami są Płock w odległości 45 km oraz Łódź w odległości 60 km od zakładu.

Miasto Kutno o powierzchni 33,59 km² liczy 46 791 mieszkańców. Gęstość zaludnienia wynosi 1393 osoby na km².

O wyborze tej lokalizacji zadecydowały jej atuty:

- lokalizacja niedaleko centrum miasta Kutno

- obecność magistrali kolejowej E20 Berlin-Moskwa z siecią bocznic,
- intermodalny terminal kolejowy w pobliżu miasta Kutno,
- węzeł Kutno Wschód wybudowanej autostrady A1, 
- bliskość dróg krajowych nr 92 (Berlin – Moskwa) oraz nr 1 (Gdańsk – Wiedeń)

- dostępność do lotniska w Łodzi
- sąsiedztwo Ciepłowni ECO Kutno oraz Grupowej Oczyszczalni Ścieków w pobliżu Podstrefy
- obecność dwóch niezależnych operatorów energetycznych

- możliwość skorzystania z pomocy z tytułu inwestycji oraz zatrudnienia (obniżenie podatków dochodowych do 50%)

Ze względu na zamknięty charakter Łódzkiej Specjalnej Strefy Ekonomicznej odległość od wrażliwych społeczności (szkoły, szpitale, stadiony) jest znaczna, dzięki czemu nie ma przeciwwskazań do lokalizacji inwestycji. Zakład produkcyjny nie będzie też stanowić zagrożenia dla środowiska.

W przypadku zaistnienia poważnej awarii bądź sytuacji kryzysowej jest możliwość skorzystania z pomocy szpitali oraz jednostek straży pożarnej zlokalizowanych w Kutnie bądź w Płocku i Łodzi.

Na miejscu nie ma bezpośredniego dostępu do niezbędnych substratów, jednakże doskonałe położenie geograficzne oraz uzbrojenie w infrastrukturę techniczną umożliwia szybką i tanią dostawę surowców. Potrzebne do produkcji propionianu propylu alkohol i kwas nie są substancjami wysoce szkodliwymi, dzięki temu możliwy jest ich transport zarówno ciężarowy jak i kolejowy.

Na rynku lokalnym znajdują się liczne firmy farmaceutyczne, między innymi: Polfarmex SA Kutno, Tewa i Fresenius Kabi Polska oraz Nobilus & Sp. z.o.o. oraz firmy produkujące tworzywa sztuczne, barwniki i opakowania, które mogą być potencjalnym odbiorcą produktu. Ze względu na dobrą lokalizację z powodzeniem może być zaopatrywany rynek krajowy.

Dzięki użyciu katalizatora w procesie wytwarzane są niewielkie ilości produktów odpadowych, które mogą być magazynowane. W tym celu na obszarze zakładu znajdują się specjalistyczne zbiorniki. Ich opróżnianiem oraz utylizacją odpadów zajmie się uprawniony zakład.

Działka na której zlokalizowany jest zakład produkcyjny została zaznaczona na poniższym schemacie.

6. ANALIZA HAZOP

HAZOP to analiza zagrożeń i zdolności operacyjnych. Jest metodą identyfikacji potencjalnych zagrożeń występujących w procesach przemysłowych. Metoda ta polega na systematycznym przeglądzie założeń projektowych i procesu technologicznego pod kątem mogących się pojawić odchyleń parametrów. Podstawowym celem jest określenie prawdopodobnych zdarzeń niebezpiecznych. Analiza HAZOP pomaga w identyfikacji problemów technicznych mogących spowodować obniżenie efektywności procesu lub spadek wydajności produkcji.

Parametr procesowy – reakcja:

Słowo - klucz	Dewiacja	Przyczyna	Konsekwencje	Zabezpieczenia istniejące
brak reakcji	brak dopływu substratów, nieszczelność układu	wyciek, nieszczelna aparatura, korozja, brak surowca	straty surowców, straty materialne, zatrzymanie produkcji	konserwacja zaworów, zastosowanie stali nierdzewnej
za wolna reakcja	źle dobrane parametry procesu, zanieczyszczenia	niewyszkolona kadra, nieznajomość procesu, korozja, zanieczyszczony substrat	obniżenie wydajności, niewłaściwy produkt	szkolenia kadr, sprawdzanie czystości substratów
zbyt szybka reakcja	zbyt wysoka temperatura i ciśnienie	uszkodzenie czujnika pomiarowego, uszkodzona izolacja, awaria pompy	nadmiar produktu – efekt przeładowania,	kontrola pompy przed podłączeniem do instalacji, kontrola izolacji
reakcja inna niż zakładana (reakcje uboczne przeważają)	zanieczyszczenia, źle dobrana ilość katalizatora, niejednorodność warunków procesowych w całej objętości kolumny	korozja, zanieczyszczone substraty, nieznajomość procesu, niewyszkolona kadra pracownicza, uszkodzona izolacja	spadek wydajności, otrzymanie niewłaściwych produktów i problem ich odprowadzania	czujniki temperatury i ciśnienia na kilku wysokościach kolumny

Parametr procesowy – ciśnienie:

Słowo - klucz	Dewiacja	Przyczyna	Konsekwencje	Zabezpieczenia istniejące
za wysokie ciśnienie	wyciek z połączonego systemu wysokiego ciśnienia, błąd pompy wyporowej, niekontrolowana reakcja	uszkodzenie instalacji, źle dobrana pompa, awaria pompy, źle dobrane parametry procesu	uszkodzenie kolumny, uszkodzenie pompy,	dodatkowe czujniki ciśnienia, przegląd instalacji
za niskie ciśnienie	niewykryty wyciek, ograniczona wydajność pompy	uszkodzenie uszczelnienia, źle dobrana pompa, awaria pompy	możliwość wybuchu, skażenie środowiska	czujniki sygnalizujące wyciek, konserwacja pompy, przegląd instalacji
maksymalne ciśnienie uzyskiwane za wcześnie	problem wyrównania ciśnienia, błąd procedury otwarcia zaworu nadmiarowego, niekontrolowana reakcja	Uszkodzenie zaworów regulujących, awaria systemu, błąd ludzki, zbyt wysoka temperatura	otrzymanie niepożądanych produktów ubocznych	dodatkowa kontrola parametrów procesowych, dodatkowe odpowietrzniki
maksymalne ciśnienie uzyskiwane za późno	dziurawa kolumna, ograniczona wydajność pompy	korozja, zły dobór materiałów konstrukcyjnych, zła jakość materiałów, niewłaściwa specyfikacja materiałau, nieodpowiedni dobór pompy	skażenie środowiska, obecność obcego materiału w kolumnie	regularna kontrola i czyszczenie pompy, zastosowanie stali najwyższej jakości

Parametr procesowy – temperatura:

Słowo - klucz	Dewiacja	Przyczyna	Konsekwencje	Zabezpieczenia istniejące
za wysoka temperatura	błąd programu sterującego, błąd kontroli nad reakcją	niewyszkolona kadra, czynnik ludzki	uszkodzenie kolumny	czujniki temperaturowe, dodatkowe szkolenia
za niska temperatura	obniżone ciśnienie, straty ciepła	zła praca pompy, nieszczelna aparatura, zła konserwacja	obniżenie wydajności, zbyt duża lepkość produktu, trudności z usuwaniem produktu	czujniki temperaturowe, przegląd izolacji, czyszczenie pompy
wymagana/ optymalna temperatura uzyskiwana za wcześnie	warunki otoczenia, zużyty wymiennik ciepła (zmniejszona grubość ścianek wymiennika)	nieznajomość procesu, nieodpowiednia konserwacja	niepełne przereagowanie, straty w substratach	zastosowanie wytrzymalszej stali oraz farb zmieniających barwę pod wpływem zmiany temperatury
wymagana/ optymalna temperatura uzyskiwana za późno	odkładanie się kamienia w kolumnie, straty ciepła	brak regularnych przeglądów, zbyt twarda woda, zużycie izolacji	uszkodzenie aparatury, straty energetyczne	zastosowanie dodatków zmiękczających wodę, wprowadzenie grafika kontroli

7. DRZEWA LOGICZNE

Drzewo logiczne pokazuje jak są powiązane poszczególne przyczyny określonego zdarzenia (skutku). Jest to diagram o logice „od góry do dołu” – bramki logiczne prowadzą do zdarzeń początkowych powodujących określony efekt. Celem takiego drzewa jest pokazanie prawdopodobieństwa niepożądanego wydarzenia.

Drzewo zdarzeń „za małe ciśnienie” w eksperymencie 1:

Drzewo zdarzeń „za niska temperatura” w eksperymencie 1:

Drzewo zdarzeń „brak reakcji” w eksperymencie 1:

8. DRZEWA ZDARZEŃ

9. ANALIZA FMEA

Składnik systemu	Funkcja wykonywana	Funkcyjność techniczna i projektowa
wlot kwasu	dostarczenie kwasu	zabezpieczenie dostarczania kwasu
wlot alkoholu	dostarczenie alkoholu	zabezpieczenie dostarczania alkoholu
wylot produktu	odbiór produktu	zabezpieczenie odbioru produktu
wylot produktów ubocznych	odbiór produktów ubocznych	zabezpieczenie odbioru produktów ubocznych
wypełnienie	miejsce reakcji	stanowi miejsce kontaktu kwasu z alkoholem
obudowa zewnętrzna kolumny	izolacja, ochrona, szczelność układu, jego zamknięcie	wytrzymuje warunki procesu- temperaturę, ciśnienie oraz stanowi izolację dla niebezpiecznych reagentów
czujnik poboru próbek	kontrola poboru próbek	kontrola składu mieszaniny reakcyjnej
mierniki temperatury	wskazanie panującej temperatury	kontrola temperatury
mierniki pomiaru poziomu	wskazuje aktualny poziom mieszaniny reakcyjnej	kontrola pomiaru poziomu

Składnik	Funkcja	Wada (skutki wady, symptom uszkodzenia)	Przyczyny (mechanizm wady)	Potencjalna wada	Sposób wykrywania (detekcja)	R	Z	W	WPR
Wlot kwasu	Dostarczenie kwasu	Wyciek na zewnątrz	Słabe uszczelnienie, korozja, uszkodzenie rurociągów, zbiornika	Niemożność prowadzenia reakcji	Brak produktu	2	3	2	12
Wlot alkoholu	Dostarczenie alkoholu	Wyciek na zewnątrz	Słabe uszczelnienie, korozja, uszkodzenie rurociągów, zbiornika	Niemożność prowadzenia reakcji	Brak produktu	2	3	2	12
Wylot produktu	Odbiór produktu	Wyciek na zewnątrz	Słabe uszczelnienie, korozja, uszkodzenie rurociągów	Zatrucie, pożar, wybuch	Brak produktu	2	4	2	16
Oczyszczanie produktów ubocznych	Odbiór produktów ubocznych	Brak oczyszczenia produktów ubocznych	Zużyty adsorbent na membranie	Otrzymanie zanieczyszczonego produktu	Wzrost natężenia przepływu retentatu, spadek natężenia przepływu permeatu	3	3	2	18
Wypełnienie	Zachodzi na nim reakcja	Brak reakcji	Zużyte wypełnienie	Niemożność prowadzenia reakcji	Brak produktu	3	3	2	18
Obudowa zewnętrzna kolumny	Izolacja, ochrona, szczelność układu, jego zamknięcie	Pogorszenie się funkcjonalności	Zużyte uszczelnienie, korozja	Pożar, wybuch	Zapach Wyciek z kolumny	1	4	2	8
Czujnik poboru próbek	Kontrola składu mieszaniny reakcyjnej	Brak możliwości analizy próbek	Awaria elektryczna	Zmieni się skład produktu, zanieczyszczony produkt	Brak podświetlonych kontrolek	1	1	1	1
Mierniki temperatury	Kontrola temperatury	Zmiana warunków prowadzenia reakcji	Awaria elektryczna	Otrzymamy mniej produktu właściwego lub w ogóle, powstanie więcej produktów ubocznych	Brak produktu, mniejsza niż zazwyczaj ilość produktu	1	2	2	4
Mierniki pomiaru poziomu	Kontrola pomiaru poziomu	Przeładowanie kolumny	Awaria elektryczna	Uszkodzenie instalacji	Brak podświetlonych kontrolek	1	3	2	5

Składnik	Zalecenie	Krytyczność
		R
Wlot kwasu	Sprawdzanie uszczelnienia, konserwacja rurociągów	1
Wlot alkoholu	Sprawdzanie uszczelnienia, konserwacja rurociągów	1
Wylot produktu	Sprawdzanie uszczelnienia, konserwacja rurociągów	1
Wylot produktów obocznych	Częstsza wymiana adsorbera membrany	2
Wypełnienie	Częstsza wymiana wypełnienia, stosowanie bardziej wytrzymalszego wypełnienia	2
Obudowa zewnętrzna kolumny	Sprawdzenie uszczelnienia, specjalne powłoki antykorozyjne	1
Czujnik poboru próbek	Zastosowanie alarmu automatycznego	1
Mierniki temperatury	Zastosowanie czujnika informującego o zepsuciu miernika temperatury	1

Mierniki pomiaru poziomu	Zastosowanie czujnika informującego o zepsuciu miernika pomiaru poziomu	1	3	1	3