PROGRAM WYKŁADÓW WIChiP PW w oparciu o podstawą podstawową

pracę, podręcznik

Daniel A.Crowl, Joseph F.Louvar pt.,

CHEMICAL PROCESS SAFETY. Fundamentals with applications.

i inne.

Konspekt wykładu
Zapobieganie wybuchom i pożarom
w środowisku procesowym

Lp.	Temat i treść wykładu	l. godz.
1.	Wprowadzenie. Statystyka wypadków. Omówienie wskaźników oceny ryzyka wypadków. Największe awarie chemiczne. Przyczyny i następstwa awarii. Niebezpieczne substancje chemiczne powstające podczas poważnych awarii przemysłowych.	1
2.	Pożary i wybuchy. Trójkąt pożarowy. Kategorie pożarów. Wybuchy. Kategorie wybuchów. Wybuchy pyłów. Modele wybuchów: Model Wybuchu TNT, Model Wybuchu Multienergetycznego. Przykłady obliczeniowe. Szacowane skutków fali uderzeniowej. Przykłady obliczeniowe. Energia eksplozji w wyniku gwałtownej ekspansji gazu. Szkody spowodowane rozerwaniem konstrukcji.	2
3.	Diagramy palności. Wyznaczanie LOC, OSFC, ISOC. Metody wyznaczania strefy palności. Temperatura zapłonu cieczy, par i gazów. Dolna i górna granica wybuchowości.	1
3.	Elektryczność statyczna. Procesy akumulacji ładunku skutkujące niebezpiecznymi wyładowaniami elektrostatycznymi. Rodzaje wyładowań elektrostatycznych. Definicje: prąd strumieniowy, napięcie, opór, ładunek, pojemności. Energie wyładowań elektrostatycznych. Przykłady obliczeniowe. Termiczna stabilność związków chemicznych. Wskaźniki stabilności. Metody badania.	2
4.	Kalorymetria reakcyjna. Zasada działania. Sposoby rozwiązań technicznych oraz ich zalety i wady. Kalorymetryczna metoda wyznaczania parametrów procesowych wpływających na bezpieczeństwo procesowe, tj.: sumaryczny współczynnik przenikania ciepła oraz współczynnik wnikania ciepła po stronie mieszaniny reakcyjnej i cieczy termostatującej, ciepło właściwe, adiabatyczny wzrost temperatury, ciepło reakcji. Kalorymetryczna metoda wyznaczania mocy dostarczanej przez mieszadło. Powiększanie skali. Modele wybuchów cieplnych. Model Semenov'a. Model Frank-Kamenestkii'ego. Model Thomas'a.	2
5.	Podstawy toksykologii. Dawka substancji toksycznej a odpowiedź organizmu. Dawka efektywna, toksyczna, śmiertelna. Toksyczność względna. Funkcje probitowe. Szacowanie skutków wybuchów. Najwyższe Dopuszczalne Stężenie (NDS), Najwyższe Dopuszczalne Stężenia Chwilowe (NDSCh), Najwyższe Dopuszczalne Stężenia Pułapowe (NDSP). Zapobieganie wybuchom i pożarom. Praca w atmosferze ochronnej. Oczyszczanie próżniowe (ang. Vacuum purging). Oczyszczanie nawiewne (ang. Pressure purging). Oczyszczanie kombinowane próżniowo-nawiewne (ang. Combined pressure-vacuum purging). Oczyszczanie próżniowe i nawiewne zanieczyszczonym azotem (ang. Vacuum and pressure purging with impure nitrogen). Oczyszczanie wymywające (ang. Sweep-through purging). Oczyszczanie syfonowe (ang. Siphon purging). Wentylacja. Wykorzystanie diagramów palności. Kontrolowanie elektryczności statycznej. Systemy zraszające.	2
6.	Urządzenia nadmiarowe ciśnieniowe. Zasada działania: Sprężynowy zawór bezpieczeństwa (ang. Spring-Loaded Pressure Relief Valve; ang. Balanced Bellows Safety Valve), Membrana bezpieczeństwa (ang. Rupture Disc), Trzpień wyboczeniowy (ang. Buckling Pin), Impulsowy zawór bezpieczeństwa (ang. Pilot-Operated Safety Valve), Inne rozwiązania mechaniczne. Lokalizacja zaworów bezpieczeństwa. Scenariusze rozwoju sytuacji. Zalecenia odnośnie stosowania zaworów bezpieczeństwa.	2
7.	Zasada doboru zaworów bezpieczeństwa dla cieczy, par i gazów oraz dla przypływu dwufazowego. Obliczenia zaworów bezpieczeństwa. Postępowanie z gazami odlotowymi. Układ unieszkodliwiania. Sposoby upustu strumienia pochodzącego z deflagracji pyłów oraz par i gazów.	3

Zapobieganie pożarom i wybuchom

Urządzeniami służącymi do zapobiegania wzrostowi ciśnienia wewnętrznego ponad wyznaczony poziom są zawory bezpieczeństwa /odciążnikowe/ (ang. pressure relief valve PRV ). Jeżeli zbiornik zawiera pewną objętość cieczy, to ciecz ta będzie absorbować ciepło przez ściany zbiornika, gdy będzie on wystawiony na oddziaływanie spalania zewnętrznego i ciśnienie wzrośnie, a gdy przekroczy dopuszczalne nastawiona na zaworze to zawór się otworzy chroniąc zbiornik przed rozerwaniem. Dla ochrony przed pożarem / ang.fire protection/ rozważa się cztery przypadki napełnienia zbiornika

Materiały piroforyczne samozapalne w kontakcie z powietrzem reagują również gwałtownie z wodą. Przykładem są alkyl glinowy i litowy rozpuszczalne w rozpuszczalnikach węglowodorowych, jak heksan lub heptan a także metale alkaliczne przechowywane zwykle pod węglowodorami. Potencjalna możliwość katastrofy jest duża. Niewielki nawet wyciek do atmosfery połączony jest z zapłonem. Wysoka temperatura i ciepło spalania powodują topienie uszczelek i pakunku zaworów i zwiększenie pożaru, aż do ogólnego wybuchu i zniszczenia zbiornika procesowego.

Zbiornik powinien być wyposażony w zawór ognioodporny, standardowe uszczelki z elastomerów topnieją i są przepuszczalne w warunkach pożaru. Uszczelki grafitowe bez dodatków płaskie lub spiralne nie topią się podczas ognia. Urządzenia podające muszą być wykonane z materiałów o wysokiej temperaturze topnienia, jak stal węglowa (1520 ^oC) to samo zawory bezpieczeństwa i elementy wyposażenia i połączeń. Zbiornik wykonany z odpornego materiału powinien pozwalać na inspekcję wewnętrzną i zewnętrzną z minimalną liczbą i rozmiarami odlotów i zwilżanych połączeń. Montaż od góry wnętrza, inspekcje, rury zanurzeniowe i otwory przelotowe instrumentów pomiarowych, co redukuje wycieki dolne. Odpowiednie wyposażenie wnętrza zbiornika tak by unikać jego mycia, podpory na posadce z materiału ognioodpornego. Pompy z odpowiednim podwójnym uszczelnieniem i ciśnieniowym lub ze sprzęgłem magnetycznym bez możliwości wrzenia i rozkładu substancji w pompie. Orurowanie zewnętrze jest potencjalnym źródłem wycieków stąd preferowane połączenia spawane z ograniczeniem połączeń kołnierzowych, unikanie naprężeń na drodze przepływu, instalacja wyposażona w system do przepłukiwania gazem obojętnym, odpowiedni projekt bezpiecznego drenażu.

W wielu technologiach używany jest azot, lecz bezpieczeństwo wymaga by miał on odpowiedni stopień czystości. Zawartość maksymalna tlenu dla zapobieżenia zapłonowi związków chemicznych określana jest przez wiele instytucji. Czystość azotu PN (%) dla zapewnienia bezpieczeństwa w środowisku inertnym związków organicznych określa wyrażenie

PN = 100 - (L^.n₀)/sf (1)

gdzie: L dolna granica palności związku (minimum stężenia oparów lub gazu w powietrzu

poniżej którego nie nastąpi zapłon w kontakcie ze źródłem zapłonu), n₀ liczba moli tlenu

wymagana do całkowitego spalenia odpowiedniej liczby moli związku, sf współczynnik

bezpieczeństwa

Współczynnik sf określany jest przez użytkownika i zawiera się w zakresie 2 ÷4 [3]. Dla określenia n₀ w obecności związków organicznych używana jest ogólna formuła

C_aH_bO_cF_dS_eN_f + n₀O₂ → aCO₂ + (b-d/2)H₂O + dHF + eSO₂ + fNO₂

n₀ = a + e + f + (b-d-2c)/4

Z doświadczeń praktycznych wynika, że dla szerokiego zakresu związków, czystość azotu 95 ÷ 97 % spełnia wymagania przemysłowe, jako gaz inertny, wypełniający, płuczący, barbotujący, przekaźnik ciśnienia i in.

Przewidywanie toksyczności szczególnie nowych związków chemicznych oparte jest obecnie na jego strukturze molekularnej. Do tego celu używanych jest wiele programów komputerowych, jak np. program ilościowej oceny zależności strukturalno - toksycznej /QSTR/ używany przez EPA

Przykład

Metanol (CH₄O) znajduje się w atmosferze azotu. Dla zapobieżenia zapłonowi oparów metanolu wymagana jest odpowiednia czystość azotu.

___________________________

Z danych literaturowych odczytujemy wartość L = 6,7. Z powyższego równania obliczamy n₀ = 1,5 i przyjmujemy sf = 4, co daje

PN = 100 - (6,7 ^. 1,5)/4 ≅ 97,5 %

Wymagany stopień czystości azotu 97, 5 %.

Skrubery bezpieczeństwa są praktycznym sposobem postępowania z toksycznymi, niebezpiecznymi, lub korozyjnymi substancjami produktami chemicznymi. Różnica w stosunku do klasycznych skruberów polega na zasilaniu strumieniem gazu z klapy, odpowietrznika bezpieczeństwa.

Usunięcie odpowietrzenia by uniknąć nadmiernego ciśnienia, bezpośrednio do atmosfery jest najprostsze i ekonomiczne, lecz muszą być rozważone zanieczyszczenie powietrza, oddziaływanie na personel i otaczająca populację oparów toksycznych lub korozyjnych, możliwość zapłonu oparów w miejscu emisji lub tworzenia mieszaniny palnej. System bezpośredniego odpowietrzenia aparatu, instalacji procesowej obok dokładnej znajomości emitowanych do atmosfery substancji i ich stężenia wymaga również urządzeń do separacji lub wydzielenia porywanej cieczy, a także odpowiedniej wysokości komina dla obniżenia koncentracji do poziomu dozwolonego.

Traktowanie termiczne odpowietrzeń obejmuje spalanie w pochodniach lub piecach. Pochodnie są generalnie zarezerwowane dla lżejszych i bardziej lotnych niehalogenowych węglowodorów. Spalanie w pochodniach jest najbardziej spotykanym sposobem neutralizacji niebezpiecznych odpowietrzeń. Cięższe i halogenowe związki przesyłane są do spalania w piecach w kontrolowanych warunkach. Spalanie tego rodzaju wymaga jednak zwykle dodatkowego paliwa. Wymienione sposoby termiczne nie są rozwiązaniem dla wielu produktów chemicznych. Ograniczenia te wynikają z tego, że :

Wymagane są bardzo wysokie temperatury,

Tworzą się niebezpieczne lub toksyczne produkty,

Związki chemiczne są trudne do spalania,

Wymagane są bardzo kosztowne materiały konstrukcyjne ze względu korozyjne środowisko,

Wymagany jest duże zużycie paliwa dla osiągnięcia wymaganej temperatury,

tracone materiały procesowe nie są odzyskiwane,

Dodatkowe mankamenty związane są z tym, że w przypadku pochodni, promieniowanie cieplne i hałas na poziomie ziemi są duże, możliwość powrotu płomienia, ciecz nie może być dostarczana do pochodni gdyż opada w postaci ang.„burning rain”, obecność ciała stałego stanowi również problem.

Scrubbing w zastosowaniu do odpowietrzeń bezpieczeństwa jest przydatny, gdyż pozwala na usunięcie zanieczyszczeń w stopniu do 99,9% dla szerokiego zakresu obciążeń, w prostym i pewnym układzie. W rozważaniach pierwszym jest dobór odpowiedniej cieczy. Szybkość absorpcji jest głównym czynnikiem w doborze rozpuszczalnika. Pozostałe to utylizacja zużytej cieczy, stabilność i niska lotność roztworu absorpcyjnego, nie korozyjność i nie palność, mała lepkość i brak tendencji do pienienia się. Koszt absorbentu jest decydujący gdy istnieje możliwość wyboru z kilku. Dla pracy w charakterze skrubera bezpieczeństwa, powinien on posiadać:

możliwość dużego przepływu gazu,

instalacja nie może być używana do normalnej pracy,

duża zmienność składu gazów,

duża pewność działania,

możliwość gromadzenia cieczy procesowej,

konstrukcja i materiał odpowiedni,

odpowiednia lokalizacja,

wysokie stężenie niebezpiecznych gazów,

niskie ciśnienie w układzie,

mieszany i zwielokrotniony poziom zanieczyszczeń

W projektowaniu należy rozważyć:

stechiometrię procesu z nadmiarem reagenta do ok. 5%.

Odpowiednio dużą powierzchnię wymiany masy,

Dostatecznie duży czas przebywania w strefie procesu,

Temperaturę,

Ciśnienie zwrotne / back pressure/,

Skład fazowy odpowietrzenia,

Różnorodność pochodzenia odpowietrzeń z różnych źródeł.

Rozważne są skrubery: wypełnione lub półkowe kolumny, wieże natryskowe, aparaty /kolumny/ barbotaźowe i w ograniczonym zakresie Venturiego klasyczne i ejekcyjne.

Przykład

Obliczyć, określić zasadnicze wymiary skrubera bezpieczeństwa stanowiącego aparat barbotażowy, zbiornikowy przy danych procesowych: maksimum wyładowania 1000 kg chloru, maksymalny strumień wyładowania 4000 kg/h; absorbent stanowi 20 % mas. roztwór NaOH o temperaturze początkowej 32 ^oC, ciśnienie dolne bezpieczeństwa wynosi 2 MPa

________________________

Bilans cieplny układu

Maksymalna temperatura roztworu wodorotlenku dla minimalnego rozkładu NaClO wynosi 71^oC stąd, zakres temperatur do dyspozycji ΔT = 71-32 ^oC. Warunek jaki musi być spełniony to

Ciepło uwolnione Q_r = Q_a ciepło zaadsorbowane

Q_r = ciepło reakcji = 1000 kg Cl₂ 1463,5 kJ/kg Cl₂

Q_a = m_NaOH C ΔT

1463,5^. 10³ = m_NaOH^. 1,17^, 39

m_NaOH = 32073 kg

co wymaga zbiornika skrubera o pojemności V_s = 32073/ 1218 kg/m³ = 26,35 m³

Przyjmujemy zbiornik o średnicy 2,5 m, co daje wysokość zbiornika z pominięcie, objętości dna

H_s = 26,35 / π (2,5)²/4 = 5,4 m

Sprawdzenie masy sody kaustycznej obecnej w układzie w stosunku do wymaganej stechiometrycznie w oparciu o równanie reakcji

Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O

m_NaOH ^. 0,2 = 32073 ^.0,2 = 6414,6 kg NaOH > 1000^. 40 kgNaOH/35,5 kgCl₂ = 1126,8 kg

Wyładowanie iskrowe zachodzi, gdy odległość pomiędzy dwoma przewodnikami jest mała w porównaniu z ich średnicą i intensywność pola elektrycznego wynosi ok. 3 mV/m. Wyładowanie szczotkowe ma miejsce, gdy odległość pomiędzy przewodnikami jest duża w porównaniu do promienia krzywizny przewodników. Energia wyładowania iskrowego jest funkcją zgromadzonego ładunku Q (kulomby), pojemności C (farady) i potencjału obiektu V (volty).

E =
(2)

Ładunek gromadzony na cząstkach transportowanego pyłu jest funkcją wielu zmiennych materiału cząstek i środowiska. Dużo ładunków gromadzi się na cząstkach pyłu podczas transportu pneumatycznego i w nachylonych rynnach. Energia wyładowania wzrasta ze zwiększeniem średnicy ziaren .

Z porównania energii wyładowania, rys.2.178, wynika, że zapłon gazów palnych i oparów nastąpić może podczas wyładowania iskrowego i różnego wzoru szczotkowego, lecz pyłów palnych głównie podczas wyładowania iskrowego, rozprzestrzeniającego się szczotkowego i snopowego stożkowego.

Zapobiega się gromadzeniu ładunków elektrostatycznych przez:

• zmniejszenie szybkości gromadzenia się i wzrost szybkości odpływu ładunków,

• ograniczenie akumulacji ładunków do poziomu bezpiecznego, przez okresowe ich odprowadzenie,

• zmniejszenie możliwości zapłonu przez obniżenie stężenia tlenu poniżej poziomu zapłonu lub obniżenia stężenia paliwa bądź podwyższenie powyżej temperatury zapłonu.

W celu zapobieżenia i kontroli niebezpieczeństwa pożaru i eksplozji:

• projektuje się aparaturę odporną na maksymalne ciśnienie możliwe podczas eksplozji,

• instaluje się czujniki początku eksplozji, które uruchamiają tłumienie spalania,

• w aparacie wytwarza się niepalną atmosferę w obecności CO₂, N₂, Ar lub He,

• instaluje się otwierające klapy /płyty/ lub pękające membrany.

Dwa pierwsze sposoby mogą być kosztowne. Atmosferę obojętną, niepalną używa się w przypadku silnie eksplozyjnych pyłów (K_St > 600 bar^.m/s) w trakcie prowadzenia procesów z wydzielaniem się znacznych ilości ciepła, np. rozdrabnianie, mielenie. Używany jest zwykle azot, lecz i inne gazy są też stosowane. Najczęstszym rozwiązaniem jest stosowanie klap odpowietrzających / ang. vent panel /, montowanych na ścianach aparatów, które otwierają się gwałtownie w przypadku eksplozji. To zapobiega rozerwaniu się aparatu przez obniżenie ciśnienia wewnętrznego eksplozji w sposób kontrolowany [6]. Eksplodujący gaz uchodzi przez jeden lub większą liczbę odpowietrzników projektowanych do otwarcia się, przy ciśnieniu P_Stat. Ciśnienie to jest przejściowym na drodze wzrostu do wartości maksymalnej P_max po której ciśnienie gazu gwałtownie spada. Wymiarowanie odpowietrzników oparte jest na współczynnikach eksplozyjności /szybkości spalania/ pyłu K_St (bar^.m/s), które są wyznaczane przez spalanie próbki pyłu w zbiornikach testowych. Klasy ( St) eksplozyjności pyłów [2], przedstawia tabl. 1.

Wymaganą powierzchnię klapy odpowietrzającej określa się z nomogramów podawanych w zaleceniach norm VDI 3673 (1978) i NFPA- 68 (1988), lub oblicza z odpowiednich zależności, jak np.

A_v = a
(3)

gdzie: a = 0,00057
; b = 0,978
; c = - 0,68
; P_max ciśnienie maksymalne

podczas eksplozji, bary; P_Stat ciśnienie ujścia, otwarcia klapy odpowietrzającej, bary;

K_St ( bar ^.m)/s

TABLICA 1. Klasy eksplozyjności pyłów

Klasa eksplozji	KSt (bar ^.m/s)
St - 0	0	brak eksplozji
St - 1	≤ 200	eksplozja słaba
St -2	200 ÷ 300	eksplozja silna
St - 3	> 300	bardzo silna eksplozja

Klapę odpowietrzającą dobiera się z pośród: zamocowanych na zawiasach, dociśniętych sprężyną, zaczepionych magnetycznie, zasuwanych lub rozrywających się membran / ang. rupture diaphragm /. Maksymalny dopuszczalny stosunek ciężaru do powierzchni wynosi 12,2 kg/m². Klapa powinna otwierać się całkowicie przy ciśnieniu P_Stat. Klapa nie może otwierać się do przestrzeni której znajdują się ludzie i powodować zagrodzenia dla personelu i innych obiektów, a także być zlokalizowana na przeciw ściany lub kolumny.

TABLICA 2. Parametry eksplozyjności niektórych pyłów

Substancja	Średnica mediana, μm	Minimalne stężenie eksplozji, g/m^3	Ciśnienie Pmax, bar	Współczynnik KSt, bar m/s	Klasa eksplo- zyjności
Aluminium	29	30	12,4	415	3
Carboksy- metyloceluloza	24	125	9,2	136	1
Celuloza	33	60	9,7	229	2
Cukier	30	200	8,5	138	1
Cynk	10	250	6,7	125	1
Dekstryna	41	60	8,8	106	1
Kukurydza	28	60	9,4	75	1
Kwas adypinowy	< 10	60	8,0	97	1
Kwas askorbinowy	39	60	9,0	111	1
Laktoza	23	60	7,7	81	1
Magnez	28	30	17,5	508	3
Mączka drzewna	29	-	10,5	205	2
Melamina	15	60	7,5	41	1
Metyloceluloza	75	60	9,5	134	1
Poliakryloamid	10	250	5,9	12	1
Polichlorek winylu	107	200	7,6	46	1
Polietylen	< 10	30	8,0	156	1
Polipropylen	25	30	8,4	101	1
Siarka	20	30	6,8	115	1
Skrobia pszeniczna	22	30	9,9	202	2
Węgiel aktywny	28	60	7,7	44	1
Węgiel drzewny	14	60	9,0	10	1
Węgiel kamienny	24	60	9,2	129	1
Węgiel brunatny	32	60	10,0	151	1
Żywica epoxy	26	30	7,9	129	1

Metoda wymiarowania klap /otworów / bezpieczeństwa zależy od wytrzymałości zabezpieczanego obiektu /przestrzeni/. W obiektach o małej wytrzymałości, którymi są pomieszczenia mieszkalne, budynki i niektóre aparaty jak np. filtry workowe ciśnienie nie powinno przekraczać 0,1 bara. Aparaty posiadające wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne większej niż 0,1 bara określane są jako wyższej wytrzymałości. Dla przestrzeni zamkniętych o mniejszej wytrzymałości powierzchnia klapy bezpieczeństwa

A_v = C A_s (4)

gdzie : C stała spalania zależna od rodzaju spalanej substancji gaz lub pył [1], dla pyłów

0,26 ÷ 0,51 (kPa)^1/2, A_s powierzchnia wewnętrzna zabezpieczanej przestrzeni, m²;

P_max maksymalne ciśnienie jakie zdolne jest wytrzymać konstrukcja definiowane jako 2/3

granicznej wytrzymałości najsłabszej części aparatu.

W przestrzeniach o wyższej wytrzymałości, przy początkowym ciśnieniu 101,3 kPa dla warunków: stosunku długości do średnicy L/d < 5, objętości 1 < V < 1000 m³, ciśnieniu statycznym 10 < P_Stat < 50 kPa i maksymalnym 20 < P_max < 200 kPa opracowane są nomogramy pozwalające określić powierzchnie klapy [1].

Dla zapobieżenia eksplozji pyłu i uniknięcia efektów z tym związanych należy:

• usnąć ze strefy zagrożenia źródła zapłonu,

• zminimalizować tworzenie się tzw. chmur pyłowych,

• obniżyć w środowisku zagrożenia stężenie utleniaczy,

• obniżyć stężenie substancji palnych poprzez wentylację lub rozcieńczenie powietrzem

• przewidzieć odpowiednie klapy odpowietrzające,

Przykład

1. Izolowany, nie uziemiony zbiornik posiada pojemność elektryczną 120 pF i napełniony jest cieczą palną w temperaturze powyżej temperatury zapłonu. Minimalna energia zapłonu oparów wynosi 0,1 V. Zgromadzony ładunek w cieczy wynosi 15 ^. 10^-7 C. Czy istnieje niebezpieczeństwo zapłonu na skutek zanurzenia w cieczy uziemionego, przewodzącego próbnika ?

__________________________

Energia wyładowania E =

Obliczona wartość przekracza minimalną energie zapłonu dla oparów i zgromadzone ładunki odpływając do ziemi stworzą bardzo niebezpieczną sytuację.

2. Obliczyć powierzchnie klapy bezpieczeństwa w zbiorniku magazynowym węgla drzewnego o pojemności 6 m³ , na wypadek wybuchu pyłu węglowego. Ciśnienie P_Stat = 0,1 bar

____________________________

Przykład

Zgodnie z danymi tabl.2. P_max = 9 bar i K_st = 10 bar^.m/s stąd, po podstawieniu do wzoru

otrzymamy

A_v==

Dla klapy o przekroju kołowym, średnica jej wyniesie d = (4^. 0,0046/π) ^1/2 = 0,0762 m, przy czym stosunek masy do powierzchni klapy nie powinien być większy od 12,2 kg/m². Klapa powinna być umieszczona zgodnie ze wskazówkami wymienionymi wyżej i otworzyć się całkowicie przy P_Stat = 0,1 bara.

Palność i eksplozyjność pyłów

We wszystkich operacjach związanych ze składowaniem, transportem, podawaniem i dozowaniem oraz procesami w których biorą udział palne cząstki pyłów takich substancji jak np. węgiel, zboża i sproszkowane produkty ich przerobu, tworzywa sztuczne, sproszkowane produkty chemiczne, rudy i pigmenty i wiele in., należy brać pod uwagę problemy związane z możliwością zapłonu i eksplozji oraz zapobiegania tym zjawiskom, lub zminimalizowania ich skutków.

W procesach z udziałem cząstek stałych, pod wpływem różnych warunków, stosunkowo łatwo następuje generowanie ładunków elektrostatycznych lub ich wyładowanie, co może być źródłem zapłonu i eksplozji [2,4]. Poprzez odpowiednie projektowanie procesu i aparatury można zapobiegać tego rodzaju problemom.

Utleniaczem w spalaniu i eksplozji pyłu jest zazwyczaj tlen z powietrza, lecz mogą nim być również halogenki. Minimalne stężenie tlenu poniżej którego nie zachodzi spalanie cząstek pyłu zależy od ich składu chemicznego i rozkładu rozmiarów. Dla większości pyłów organicznych wartości odpowiadają 10 ÷ 16 % obj.

Minimalna temperatura zapłonu „chmury pyłu” jest najniższą temperaturą przy której następuje spontaniczny zapłon i rozprzestrzenianie się płomienia. Wartość ta jest używana do określenia minimalnej bezpiecznej temperatury prowadzenia procesu.

Wyróżnia się eksplozje pyłu pierwotne i wtórne. Eksplozja pierwotna zachodzi gdy cząstki pyłu są rozproszone w atmosferze aparatu zawierającej dostateczną ilość tlenu do spalania i istnieje źródło zapłonu o dostatecznej energii. Wtórna eksplozja występuje, gdy płomień z eksplozji pierwotnej powoduje zapłon pyłu w najbliższym otoczeniu. Jest ona często bardziej niebezpieczna, ponieważ przeniesienie płomienia i ciśnienie może prowadzić do zniszczenia obok aparatu procesowego, również konstrukcji budynku.

Na eksplozyjność cząstek pyłu wpływają:

• reaktywność chemiczna, ze wzrostem której zdolność do eksplozji zwiększa się np. bardzo

reaktywne proszki metali Mg, Al., Ti, Zr i in, oraz węglowodory nienasycone i pochodne

aminowe,

• wilgotność, która obniża zdolność zapłonu i gwałtowność wybuchu pyłu. Brak jest ścisłej wartości, lecz generalnie sądzi się, że powyżej wilgotności 30 % eksplozja pyłu nie występuje,

• rozmiar i powierzchnia właściwa tak, że z zmniejszeniem rozmiarów cząstek / szczególnie poniżej 420 μm / wzrasta ich powierzchnia i zdolność do zapłonu i eksplozji,

• stężenie cząstek, które odpowiada wartościom wyższym niż stechiometryczne ze względu na fakt, że spalanie eksplozyjne jest procesem powierzchniowym. Szybkość eksplozji i minimum energii zapłonu zmienia się ze stężeniem pyłu.

• burzliwość w środowisku pył - powietrze, gdyż na skutek polepszenia transportu tlenu do powierzchni cząstek powoduje wzrost niebezpieczeństwa i ciśnienia eksplozji,

• obecność źródła zapłonu o odpowiedniej energii.

Eksplozja, wybuch pyłu może nastąpić, gdy stężenie cząstek odpowiada określonym, granicznym wartościom podobnie jak ma to miejsce w przypadku gazów. Jeżeli stężenie cząstek jest małe, niska wartość generowanego ciepła nie pozwala na lawinowy przebieg reakcji spalania, eksplozję. Górny zakres stężenia cząstek, inaczej górna granica eksplozji odpowiada wartości, powyżej którego nie następuje ekspansja płomienia. Dolna, jak i górna granica eksplozji zależy od właściwości cząstek, takich m. in. jak: skład chemiczny, rozmiar, wilgotność i rodzaj źródła zapłonu. Minimum stężenia cząstek odpowiadające dolnej granicy eksplozji jest jednym z ważniejszych parametrów na etapie projektowania, oprócz minimum energii zapłonu i temperatury. Istnieje szereg modeli dla określenia minimalnego stężenia eksplozji cząstek w tzw. chmurze pyłu [5], lecz brak jest uniwersalnej teorii i modelu. Stężenia minimalne i inne parametry eksplozyjności dla niektórych pyłów podano w tabl.2.

Źródłem zapłonu mogą być: wyładowanie elektryczne i elektrostatyczne, otwarty płomień, ciepłe i ogrzewane powierzchnie, ogrzewanie spontaniczne, operacje spawania i cięcia i in. Wyładowanie elektrostatyczne jest jednym z poważniejszych źródeł pożarów i eksplozji w procesach przemysłowych, również pyłów [4]. Wyładowanie elektrostatyczne zachodzi, gdy dwa materiały o różnych potencjałach lub polarności zbliżą się do siebie na taką odległość, że nastąpi przepływ ładunków. W środowisku wybuchowym wysokoenergetyczny przepływ ładunków może być źródłem zapłonu. Dla zapobieżenia temu zjawisku konieczne jest znajomość:

• gromadzenia się ładunków na obiektach,

• wyładowania i przepływu ładunków,

• wyzwalanej energii podczas wyładowania w do stosunku do ilości minimalnej wywołującej eksplozję.

Gromadzenie się ładunków elektrostatycznych na obiektach z możliwością niebezpiecznego wyładowania może nastąpić, [6]:

• przez kontakt i tarcie a następnie separację, dwóch materiałów z których jeden może być izolatorem, co powoduje gromadzenie się na nich ładunków różnoimiennych w równych ilościach,

• podczas przepływu płynów na granicy warstwy podwójnej,

• na skutek ładowania indukcyjnego materiałów przewodzących,

• podczas kontaktu obiektów naładowanych z nienaładowanymi.

Rozładowanie naładowanego obiektu nastąpić może do ziemi lub do obiektu z ładunkiem znaku przeciwnego, gdy intensywność pola przekracza 3 mV/m ( w powietrzu). Wyładowanie może być: iskrowe, między dwoma obiektami metalowymi; szczotkowe pomiędzy ostrymi punktami / zbliżonymi do ostrza / przewodników lub innym źródłem ładunków, wyładowanie świetlne pomiędzy chmurą i proszkiem, koronowe podobne do szczotkowego zdolne do jonizacji gazu i zapłonu np. wodoru.

Wyładowanie iskrowe zachodzi, gdy odległość pomiędzy dwoma przewodnikami jest mała w porównaniu z ich średnicą i intensywność pola elektrycznego wynosi ok. 3 mV/m. Wyładowanie szczotkowe ma miejsce, gdy odległość pomiędzy przewodnikami jest duża w porównaniu do promienia krzywizny przewodników. Energia wyładowania iskrowego jest funkcją zgromadzonego ładunku Q (kulomby), pojemności C (farady) i potencjału obiektu V (volty).

E =
(5)

Ładunek gromadzony na cząstkach transportowanego pyłu jest funkcją wielu zmiennych materiału cząstek i środowiska. Dużo ładunków gromadzi się na cząstkach pyłu podczas transportu pneumatycznego i w nachylonych rynnach. Energia wyładowania wzrasta ze zwiększeniem średnicy ziaren [4,6].

Z porównania energii wyładowania, rys.2, wynika, że zapłon gazów palnych i oparów nastąpić może podczas wyładowania iskrowego i różnego wzoru szczotkowego, lecz pyłów palnych głównie podczas wyładowania iskrowego, rozprzestrzeniającego się szczotkowego i snopowego stożkowego.

Zapobiega się gromadzeniu ładunków elektrostatycznych przez:

• zmniejszenie szybkości gromadzenia się i wzrost szybkości odpływu ładunków,

• ograniczenie akumulacji ładunków do poziomu bezpiecznego, przez okresowe ich odprowadzenie,

• zmniejszenie możliwości zapłonu przez obniżenie stężenia tlenu poniżej poziomu zapłonu lub obniżenia stężenia paliwa bądź podwyższenie powyżej temperatury zapłonu.

W celu zapobieżenia i kontroli niebezpieczeństwa pożaru i eksplozji:

• projektuje się aparaturę odporną na maksymalne ciśnienie możliwe podczas eksplozji,

• instaluje się czujniki początku eksplozji, które uruchamiają tłumienie spalania,

• w aparacie wytwarza się niepalną atmosferę w obecności CO₂, N₂, Ar lub He,

• instaluje się otwierające klapy /płyty/ lub pękające membrany.

Literatura

1. NEPA 68. Venting of Deflagrations. National Fire Protection Association, Quincy,

MA (1994)

2. Cooper P.W., Kurowski S.R., Introduction to the Technology of Explosives. Wiley -VCH,

New York 1997

3. “Limits of Flammability of Individual Gases and Vapors in Air at Atmospheric Pressure”. Data

Guide Bulletin HE 109A, Hercules, Inc., Hazards Evaluation and Risk Control Services, Rocket Center, W. Va.

4. Eckhoff R.K., Dust Eksplosions in the Process Industries. Butterworth-Heinemann,

Oxford 1991

5. Mittal M., Chem. Eng. Technol. 1997, 20, 502-509

6. Jones T.B., King J.L., Powder Handling and Electrostics. Lewis Publ., Chelsea, MI

(1991)

5. Black G.J., Chem. Eng., 1994, May, 128-133

BEZPIECZEŃSTWO EKSPOLATACJI APARATÓW - INSTALACJI

PROCESOWYCH

Cechy bezpieczeństwa instancji przemysłowych są jednym z zasadniczych atrybutów ich jakości. Cechy te określone są już na etapie koncepcji i konkretyzowane podczas projektowania. Wykonawca zapewnia jakość zgodą z projektem, a zadaniem użytkowników jest utrzymanie tego poziomu w trakcie całego okresu eksploatacji.

CYKL ŻYCIA INSTALACJI PROCESOWEJ

Zapewnia to odpowiednią jakość bezpieczeństwa, które może być zagrożone eksploatacją aparatury lub wynikiem awarii. Odpowiednie przepisy i normy bezpieczeństwa wydawane są przez administrację państwową lub niezależne instytucje niezwiązane cyklem tworzenia instalacji.

Identyfikacja zagrożeń i ich skali dotyczy pojedynczych aparatów, jak i całych instalacji z uwzględnieniem ich wyposażenia - osprzętu tj. rurociągów, armatury, urządzeń pomocniczych.

Zagrożenia bezpieczeństwa związane są z poziomem energii u układzie instalacji procesowej oraz parametrami statycznymi i dynamicznymi przetwarzanych substancji. W grę wchodzą wszystkie rodzaje energii mające znaczenie w inżynierii procesowej. Parametry statyczne związane są ze stanem skupienia substancji, ich masą, objętością , właściwościami fizyko-chemicznymi oraz parametrami w przepływie.

Dla każdego aparatu i instalacji można, lub zestawia się listę wymagań pod kątem przeciwdziałania zagrożeniom bezpieczeństwa m.in. pożarem, wybuchem, etc.

Operuję się przy tym również pojęciami bliskoznacznymi zagrożeniem i ryzykiem. Zagrożenie związane z w/w parametrami i warunkami eksploatacji może być postrzegane jako potencjalne ryzyko. Potencjalne ryzyko przypisane aparatowi lub instalacji może w odpowiednich warunkach stać się ryzykiem rzeczywistym, realnym. Jest ono złożoną funkcją zagrożenia związaną z danym obiektem tj. prawdopodobieństwem wystąpienia zagrożenia i podatnością środowiska technicznego i osobowego na ten fakt oraz konsekwencjami z tego wynikającymi.

Ponieważ ryzyka nie można całkowicie wyeliminować stąd, pewien jego poziom jest akceptowalny. Przykładem są instalacje rafineryjne, nuklearne etc. przy pewnym poziomie bezpieczeństwa akceptowalne społecznie.

Ryzyko skutków zdarzenia k przy wszystkich możliwych scenariuszach s wyraża się zależnością

R_c,k = ∑ C_s,k­P_s,k (6)

gdzie: C_s,k liczba skutków rozpatrywanego zdarzenia k dla scenariusza s,

P­_s,k prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia powodującego odpowiednie skutki k dla

scenariusza s

Zależnie od rodzaju skutków wyróżnia się ryzyko indywidualne i grupowe/ społeczne/. Pierwsze związane są z drastycznymi scenariuszami odniesionymi do pojedynczych osób, zwykle obsługi drugie natomiast dotyczy oddziaływań na szerszą populację.

Do wyznaczenia wielkości prawdopodobieństwa zdarzeń i ich skutków operuje się odpowiednimi metodami analizami rachunku prawdopodobieństwa, wystąpienia ryzyka.

Istnieje szereg sposobów postępowania do ilościowej oceny ryzyka, a oprócz tego wykorzystuje się ocenę jakościową, porównawczą różnymi metodami np. metoda (ang.Hazard and Operability Studies, HAZOP) przez www.udt.gov.pl i inne wyspecjalizowane firmy.

Dyrektywa PED (ang.Pressure Equipment Directive) dotyczy projektowania, wytwarzania i oceny zgodności aparatury ciśnieniowej i armatury dla ciśnień > 0,5 bar. Wybór procedury zgodności zależy od rodzaju, grupy płynu znajdującego się w instalacji i kategorii aparatury. Do grupy 1 należą płyny: zapalne, wybuchowe, toksyczne i utleniające, natomiast w grupie 2 są pozostałe płyny. Kategorie obejmują aparaty procesowe i osprzęt, wyposażenie. Dla instalacji, aparatury określonej kategorii od I do IV wytwórca może wybrać ocenę zgodności według modułów zdefiniowanych w dyrektywie PED, od A do H1. Szczegółowe wymagania odnośnie aparatury ciśnieniowej podane są w tzw. normach zharmonizowanych www.pkn.pl

DZIAŁALNOŚĆ PRZEMYSŁU I ORGANIZACJI W OGRANICZENIU

NIEBEZPIECZNYCH POŻARÓW I EKSPLOZJI PYŁÓW

Poważnie działania w odniesieniu przepisów regulujących procedury postępowania z pyłami niebezpiecznymi w U.S. podjęto w 2003 roku gdy U.S.Chemical Safety Board (CSB) pod wpływem trzech eksplozji w instalacjach przetwórczych tego roku. W styczniu był to pożar i eksplozja w przetwórni farmaceutycznej w Kinston, N.C. wywołane przez drobny proszek tworzywa sztucznego osadzony na suficie hali; sześciu pracowników zginęło o wiele większa liczba odniosła obrażenia. Trzy tygodnie później, akumulacja pyłu gumowego z wiązania fenolanów w przestrzeni produkcyjnej doprowadziła do wybuchu zabijając siedmiu pracowników w wytwórni izolacji z włókien szklanych CTA Acoustics, Sorbin, Ky. Pył aluminiowy w wytwórni felg Huntington, Ind. był winowajcą eksplozji w Październiku gdzie zginęła jedna osoba i wiele innych zostało rannych. W 2007 U.S. Occupational Safety & Health Administration (OSHA) wydała National Emphasis Program (NEP) nt. pyłów palnych.

Jednakże w lutym 2008 r. w potężnej eksplozji i pożarze w rafinerii Imperial Sugar's Port Wentworth, Savannah,Ga., zginęło 14 osób i 38 zostało poważnie rannych. Eksplozja wywołana została prze akumulację palnego pyłu cukru w budynku pakowni.

Wcześniejsze doniesienia wskazuję, że w okresie 1980-2005 w U.S. miało miejsce przeciętnie 10 incydentów z pyłami palnymi rocznie.

Kluzowe punkty analizy zagrożeń /Key points/ to: KSt współczynnik szybkości spalania wskazuje jak szybko front fali ciśnienia formuje się i porusza przez strefę spalania. Niskie wartości KSt wskazują, że nie ma problemu eksplozji lecz że szybkość wzrostu ciśnienia będzie mniejsza w porównaniu z materiałem o większej wartości KSt. Zniszczenie przy małych KSt są inne niż przy wyższych KSt lecz fala ciśnienia istnieje i zdolna jest zniszczyć strukturę i strefa <firebal>l stwarza niebezpieczeństwo dla personelu i wyposażenia.

Drugim w kolejności jest charakterystyka warunków niebezpieczeństwa lub powierzchni /przestrzeni/. W wielu przypadkach opiera się to na grubości warstwy odkładającego, gromadzącego się pyłu. NFPA 654 określa równanie pozwalające określić niebezpieczną grubość gromadzącej się warstwy, opartą na gęstości nasypowej lecz stwarza to problemy dla materiałów różniących się zacznie gęstością.

Zapłon i wybuchy sadzy - chmury aerozolu, przewody i kanały przemysłowe, powierzchnie osadzania. Środowisko wyładowań ładunków elektrostatycznych i podwyższonej temperatury

20

Bezpieczeństwo to brak niemożliwego do zaakceptowania ryzyka dla ludzkiego zdrowia, życia, majątku lub dla środowiska

Ryzyko to prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia x wielkość niepożądanych skutków

Projekt procesowy

Konstrukcja

Budowa/rozruch

Eksploatacja

Naprawy, modernizacja

---