 Βιβλιοθήκη
|
||
 |
5.3 Κίνδυνοι από χημικές αντιδράσεις Οι περισσότερες των χημικών αντιδράσεων πραγματοποιούνται με ταυτόχρονη μεταβολή της ενεργειακής στάθμης του αντιδρώντος μίγματος, η οποία πραγματοποιείται είτε με πρόσληψη, είτε με απελευθέρωση θερμικής ενέργειας. Ως γνωστόν, όταν μια αντίδραση συνοδεύεται από απελευθέρωση θερμότητας ονομάζεται εξωθερμη (exothermic), ενώ όταν απορροφά θερμότητα από το άμεσο περιβάλλον ονομάζεται ενδόθερμη (endothermic). Στη πράξη, οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι πολύ περισσότερες από τις ενδόθερμες. Μερικά παραδείγματα εξώ-θερμων αντιδράσεων είναι: • Η καύση ενός αερίου στην ατμόσφαιρα. • Η επαφή του μεταλλικού νατρίου με το νερό. • Ο πολυμερισμός. • Η νίτρωση. • Η αλκυλίωση. • Η εστεροποίηση. Κίνδυνοι από χημικές αντιδράσεις νοούνται εκείνοι που δημιουργούνται, όταν η θερμότητα που εκλύεται από μια χημική αντίδραση υπερβαίνει αυτή που απάγεται από το αντιδρών σύστημα. Η πλεονάζουσα θερμότητα αυξάνει τη θερμοκρασία των αντιδρώντων μαζών προκαλώντας αύξηση του ρυθμού της αντίδρασης και άρα την αύξηση του ρυθμού παραγωγής θερμότητας (πρόκειται δηλαδή για μια δυναμική και όχι στατική κατάσταση). Τότε, η αντίδραση τίθεται εκτός ελέγχου και χαρακτηρίζεται ανεξέλεγκτη (runaway reaction). Προφανώς, η συνεχής αύξηση της θερμοκρασίας συμβαίνει διότι, η μεν απαγωγή θερμότητας στον περιβάλλοντα χώρο αυξάνει γραμμικά (διαφορά δυναμικού), ο δε ρυθμός της αντίδρασης αυξάνει εκθετικά (νόμος του Arrhenius) (Σχ. 5.4). Βέβαια, αν λάβουμε υπόψη τη μη ιδανική ανάμιξη του μίγματος, τότε στη πραγματικότητα δημιουργούνται εστίες όπου η θερμότητα απάγεται με ακόμη μικρότερο ρυθμό.
Σχήμα 5.4: Μεταβολή της καθαρής παραγωγής θερμότητας QN με τη θερμοκρασία ως αποτέλεσμα του ρυθμού παραγωγής θερμότητας Q+ και ρυθμού ψύξης Q (Τ0: θερμοκρασία περιβάλλοντος, Tc: κρίσιμη θερμοκρασία πάνω από την οποία χάνεται ο θερμοκρασιακός έλεγχος). Αξιοσημείωτο είναι ότι ανεξέλεγκτες χημικές αντιδράσεις δεν συμβαίνουν μόνο σε αντιδρώντα συστήματα, αλλά και σε περιπτώσεις που μια ασταθής χημική ένωση βρίσκεται αποθηκευμένη (π.χ. για να μη μολυνθεί από άλλες ουσίες). Η χημική δραστικότητα μπορεί να εκτιμηθεί ποιοτικά από τη φύση των χημικών ομάδων στα μόρια των ενώσεων, τα οποία μπορεί να διασπώνται ή να πολυμερίζονται (π.χ. υπεροξυομάδες) με εξώθερμες αντιδράσεις. Επιπρόσθετο πρόβλημα αποτελεί η αύξηση της παραγόμενης θερμότητας σε αναλογία με τον όγκο του αντιδρώντος μίγματος (κυβικός όρος), ενώ η ψυκτική ικανότητα είναι ανάλογη με την επιφάνεια (τετραγωνικός όρος). Για παράδειγμα, θεωρώντας έναν σφαιρικό χημικό αντιδραστήρα, η θερμότητα που παράγεται από την αντίδραση είναι ανάλογη της τρίτης δύναμης της ακτίνας, ενώ η θερμότητα που απάγεται είναι ανάλογη με τη δεύτερη δύναμη της ακτίνας. Το γεγονός αυτό είναι σημαντικό κατά την κλιμάκωση του μεγέθους (scale-up) από την εργαστηριακή ή την πιλοτική κλίμακα στη βιομηχανική, αφού μια μικρή αύξηση του όγκου μπορεί να καταστήσει την ψύξη ανεπαρκή και να οδηγήσει σε απώλεια ελέγχου του συστήματος. Εκτός από τη θερμοκρασία, αύξηση σημειώνει και η εσωτερική πίεση του συστήματος. Αυτό μπορεί να συμβαίνει, είτε σταδιακά στη περίπτωση που απαντάται μόνο αέρια φάση λόγω αύξησης του όγκου της, είτε απότομα στη περίπτωση που υπάρχει υγρή φάση, εάν αυτή φτάσει σε βρασμό. Η μηχανική αντοχή των τοιχωμάτων δεν μπορεί πολλές φορές να αντέξει τις αυξημένες τάσεις και υποχωρεί (μηχανική έκρηξη). Γενικά, οι ανεξέλεγκτες χημικές αντιδράσεις μπορούν να προκαλέσουν εκρήξεις με ταυτόχρονη δημιουργία κρουστικού κύματος και, ως επακόλουθο, υλικές ζημιές, πυρκαγιές και απώλεια του περιεχομένου του αντιδραστήρα. 'Όταν μάλι στα κάποιο από τα αντιδρώντα ή τα προϊόντα είναι τοξικό, ο κίνδυνος αυξάνεται, λόγω της διασποράς της τοξικής ένωσης στο εγγύς περιβάλλον της βιομηχανικής μονάδας. Είναι γεγονός ότι δυο εκ των σημαντικότερων βιομηχανικών ατυχημάτων που έχουν γίνει έως σήμερα, στις πόλεις Bhopal και Seveso, προκλήθηκαν από ανεξέλεγκτες χημικές αντιδράσεις.Κρίσιμοι παράμετροι της διεργασίας, που πρέπει να εξετάζονται προκειμένου να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα για την ασφαλή διεξαγωγή της, είναι: • Ο ρυθμός ροής (σε αντιδραστήρα συνεχούς έργου) ή το ποσό των αντιδρώντων που φορτώνεται (σε αντιδραστήρα ασυνεχούς έργου). • Η συγκέντρωση των αντιδρώντων στο ρεύμα εισόδου ή την κάθε παρτίδα. • Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. • Η πίεση στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. • Η φύση της αντίδρασης. • Η μεταφορά θερμότητας. • Το επίπεδο της στάθμης της υγρής φάσης. • Οι συνθήκες ανάδευσης. Η αναγνώριση των κινδύνων διενεργείται με ποιοτικές μεθόδους, συνήθως την ΗΑΖΟΡ, η οποία σε κάθε πιθανή απόκλιση μιας εκ των λειτουργικών παραμέτρων από τις κανονικές συνθήκες, καταλήγει σε ένα συγκεκριμένο κίνδυνο. Έχοντας προσδιορίσει τις πηγές κινδύνου, είναι χρήσιμο να αποφασιστεί ο σχεδιασμός του συστήματος με τέτοιο τρόπο, ώστε η λειτουργία του να είναι η ασφαλέστερη δυνατή. Η ιδανική περίπτωση είναι εκείνη κατά την οποία μια διεργασία είναι εγγενώς ασφαλής, δηλαδή καμία απόκλιση από τις ομαλές συνθήκες λειτουργίας δεν μπορεί να οδηγήσει σε ατύχημα. 5.3.1 Μέτρα ασφάλειας Όταν οι κίνδυνοι αναγνωριστούν, επιλέγονται οι μέθοδοι που θα εξασφαλίσουν την ασφαλή λειτουργία του συστήματος. Οι μέθοδοι αυτές ανήκουν σε μια από τις κατηγορίες: • Εγγενώς ασφαλέστεροι μέθοδοι, οι οποίες ελαττώνουν τις πιθανότητες εμφάνισης ή εξαλείφουν εντελώς έναν κίνδυνο.• Έλεγχος της διεργασίας, ο οποίος προλαμβάνει την πραγματοποίηση μιας ανεξέλεγκτης αντίδρασης. • Μέτρα προστασίας, τα οποία περιορίζουν τις συνέπειες σε περίπτωση που η αντίδραση τεθεί εκτός ελέγχου.5.3.1.1 Εγγενής ασφάλεια 'Όταν είναι δυνατόν, ο κίνδυνος πρέπει να ελαττώνεται ή να εξαλείφεται από το σύστημα μέσω εγγενώς ασφαλέστερου σχεδιασμού της διεργασίας και πιο συγκεκριμένα με: • Αντικατάσταση των επικίνδυνων υλικών με άλλα λιγότερο επικίνδυνα ή εντελώς ακίνδυνα υλικά. • Ελάττωση των ποσοτήτων των αντιδρώντων ουσιών που υπάρχουν στο σύστημα, εφαρμόζοντας για παράδειγμα συνεχή αντί για ασυνεχή διεργασία. • Ηπιότερες συνθήκες λειτουργίας (χαμηλή πίεση και θερμοκρασία, αραιά διαλύματα, συνθήκες που αποκλείουν ανεξέλεγκτα αυξανόμενους ρυθμούς αντιδράσεων). • Απλούστευση της διεργασίας. Για παράδειγμα, εάν μια αντίδραση απαιτεί μια σειρά από πολύπλοκα συστήματα αυτόματης ρύθμισης και ελέγχου, είναι ωφέλιμο να επιλεχθούν τα αντιδρώντα και οι συνθήκες της αντίδρασης με τέτοιο τρόπο, ώστε να μη χρειάζεται πλέον να χρησιμοποιηθούν τέτοια συστήματα. Αυτού του είδους τα μέτρα επηρεάζουν ριζικά μια διαδικασία. Η εφαρμογή τους σε ένα σύστημα που έχει ήδη τεθεί σε λειτουργία μπορεί να απαιτεί χρονοβόρες ή/και αντιοικονομικές αλλαγές. Έτσι, θα πρέπει να συνεκτιμούνται αυτές στο στάδιο του σχεδιασμού της διεργασίας. Πιο αναλυτική παρουσίαση των τεχνικών επίτευξης της εγγενούς ασφάλειας γίνεται στο κεφ. 3.3. 5.3.1.2 'Έλεγχος της διεργασίας Ο έλεγχος της διεργασίας περιλαμβάνει τη χρήση αισθητήρων, συστημάτων συναγερμού και γενικά συστημάτων ελέγχου και ρύθμισης που είτε δρουν αυτόματα, είτε επιτρέπουν τη χειρωνακτική παρέμβαση στο σύστημα, ώστε να προληφθούν οι επικίνδυνες συνθήκες που μπορεί να θέσουν την αντίδραση εκτός ελέγχου. Η αποτελεσματική εφαρμογή μεθόδων ελέγχου απαιτεί την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η διεργασία εξελίσσεται, αλλά και ειδικότερα γνώση των επιτρεπτών ορίων για την ασφαλή διεξαγωγή της. 5.3.1.3 Μέτρα προστασίας Τα μέτρα προστασίας δεν προλαμβάνουν μια ανεξέλεγκτη αντίδραση, αλλά περιορίζουν τις συνέπειες από αυτήν. Στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τα μέτρα πρόληψης και ο καθορισμός τους απαιτεί λεπτομερή γνώση του τρόπου με τον οποίο εξελίσσεται η αντίδραση όταν τεθεί εκτός ελέγχου. Χαρακτηριστικά μέτρα προστασίας από ανεξέλεγκτες αντιδράσεις είναι: • Ο κατάλληλος σχεδιασμός του αντιδραστήρα, ώστε να αντέχει τη μέγιστη πίεση που προβλέπεται να αναπτυχθεί σε περίπτωση ανεξέλεγκτης αντίδρασης. • Η ενσωμάτωση στον εξοπλισμό δίσκων θραύσης, οι οποίοι θα οδηγήσουν το διαρρέον ρευστό σε ασφαλές σημείο σε περίπτωση απώλειας του ελέγχου (π.χ. πυρσός ή πλυντρίδα). • Ταχεία τροφοδοσία ψυκτικού μέσου στο αντιδρών μίγμα (crash cool). • Η προσθήκη αναστολέα που θα σταματήσει εγκαίρως την εξέλιξη της αντίδρασης- • Μετάγγιση και απόρριψη του αντιδρώντος μίγματος σε ένα ψυκτικό ρευστό (π.χ. λουτρό νερού). Τα μέτρα ασφάλειας που πρέπει να ληφθούν για να μπορέσουν να λειτουργήσουν αποτελεσματικά, επιβάλλεται να συνοδεύονται από ένα συγκροτημένο σύστημα διαχείρισης που θα περιλαμβάνει: • Σύνταξη οδηγιών χειρισμού του εξοπλισμού σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας. • Σύνταξη οδηγιών αντιμετώπισης έκτακτων περιστατικών. • Διαβούλευση με τους εργαζόμενους. • Εκπαίδευση και συνεχή επίβλεψη των εργαζομένων. • Τακτική και επιμελή συντήρηση του εξοπλισμού. • Έλεγχο και αναθεώρηση των μελετών επικινδυνότητας σε περίπτωση τροποποίησης της διεργασίας.
|
|
