Статьи
28 ноября 2018
Пожаловаться

Безопасность во время производственных процессов

94
0

В настоящем материале оцениваются и анализируются риски взрыва, связанные с процессом передачи порошков в большие контейнеры, ёмкости и реакторы, которые также могут содержать пары воспламеняющихся растворов. Описаны процесс накопления и характеристики взрывоопасной атмосферы, а также возникновение источников воспламенения, таких как статическое электричество.

Введение

 Загрузка порошков в легковоспламеняющиеся растворители - очень распространенная операция, часто применяемая в разных отраслях промышленности. Обычно в реакторы, большие контейнеры и емкости загружают порошкообразные примеси, пигменты, катализаторы и другие виды реагентов. Очень часто принимающий контейнер содержит легковоспламеняющийся растворитель, загруженный в большом количестве; также такой растворитель мог остаться от предыдущей операции или промежуточной промывки. В зависимости от температуры воспламенения растворителя, а также от температуры жидкости и окружающей среды в контейнере и вокруг него, может быть создана атмосфера взрывоопасного пара. В случае, если порошок, перемещаемый в контейнер, также является горючим веществом, может быть образована взрывоопасная пылевоздушная смесь как в контейнере, так и вокруг него. Вместе с парами из легковоспламеняющегося растворителя, взрывоопасная смесь пыли / воздуха может образовывать комбинированную смесь. Даже если были приняты все меры предосторожности, исключающие воспламенение (связанные с электрооборудованием, механической нагрузкой, монтажом, сваркой, открытым пламенем, курением и т. д.),  по прежнему остается опасность воспламенения смеси от электростатических источников, связанных с самим процессом загрузки. Основываясь на описанных выше опасностях, связанных со взрывом, совершенно не удивительно, что этот тип операций является одним из самых опасных в перерабатывающей промышленности.  Статистика происшествий наглядно демонстрирует этот факт. Чрезвычайно высока не только вероятность, но и особенно степень опасности. Обычно, по крайней мере один и очень  часто  несколько операторов участвуют в процессе загрузки порошка. В случае взрыва они будут непосредственно подвержены воздействию взрывной волны и огня, которые, особенно в случае взрыва пылевого облака или гибридной смеси, вызывают серьезные и  опасные для жизни ожоги. С учетом всех перечисленных выше причин, меры предотвращения взрыва имеют первостепенное значение. Как четко указано в директивах ATEX (Директива 94/9 / EC, 1994 и Директива 1999/92 / EC, 1999), работодатель должен принять технические и / или организационные меры, соответствующие характеру производственного процесса, в порядке приоритета и в соответствии со следующими основными принципами: • Предотвращать образование взрывоопасной атмосферы или, когда это невозможно, • предотвращать воспламенение взрывоопасной атмосферы,  • смягчать пагубные последствия взрыва с целью обеспечения безопасности и здоровья работников.

 

Эти меры, при необходимости, должны быть объединены и / или дополнены мерами против распространения взрывов и подлежат регулярному инспектированию и пересмотру при значительных изменениях производственного процесса. Таким образом, при производственных процессах загрузки основное внимание следует уделять предотвращению образования взрывоопасных атмосфер. В следующих разделах будет подробно изложена информация о вероятности возникновении взрывоопасной атмосферы, ее характеристиках, о накоплении статического электричества как источника воспламенения, а также будут описаны возможные превентивные меры.

  • Вероятность формирования и минимальная энергия воспламенения взрывоопасной атмосферы

 Для оценки опасности взрыва при загрузке порошков в реактор с легковоспламеняющимся растворителем чувствительность к воспламенению взрывоопасной атмосферы и вероятность ее возникновения в разных местах (внутри реактора над поверхностью растворителя и в области люка) имеют большое значение.    На основе такой информации можно оценить, будет ли источник воспламенения  (например, статическое электричество), опасным. Чувствительность к воспламенению взрывоопасной атмосферы характеризуется минимальной энергией воспламенения (MIE) и возникновение  воспламенения зависит, помимо прочего, от давления паров растворителя, диспергируемости порошка и настройки системы вентиляции. Хорошо известное взаимоотношение между кривой давления пара горючей жидкости, диапазоном взрывоопасности пара и температурой воспламенения показано на рис.1.     Большинство обычно используемых растворителей в обрабатывающей промышленности, таких, как уайт-спирит, толуол, ацетон, этилацетат, этанол, метанол, изопропанол и т. д. имеют температуру воспламенения намного ниже комнатной температуры. Кроме того, следует иметь в виду, что диапазон взрывоопасности возрастает с увеличением температуры. Взрывоопасное облако пыли может образовываться в реакторе, в области люка и в близлежащем пространстве. Это зависит от природы порошка (размеры частиц и их концентрации), содержания влаги, концентрации и взрывоопасности вращающегося продукта (вызванное турбулентностью), характеризующегося LEL, MIE, минимальной температуры воспламенения и т. д. По крайней мере, внутри реактора и в области люка пылевое облако будет смешано с парами растворителя и сформирует гибридную смесь. Характеристики гибридных смесей широко исследовались в прошлом (Bartknecht, 1993). Наиболее важными свойствами являются следующие:

  • Даже если концентрация обоих компонентов, облака пыли и паров растворителя находится ниже своего собственного нижнего предела взрывоопасности, образуемая гибридная смесь может воспламениться.
  • Минимальная энергия воспламенения (MIE) гибридной смеси обычно находится между MIE ее компонентов. Поскольку MIE паров растворителя обычно ниже, чем MIE порошка, MIE гибридной смеси обычно намного меньше, чем MIE чистого порошка, даже если температура воспламенения растворителя выше температуры окружающей среды.
  • Если концентрация газа или пара ниже 20% от нижнего предела взрывоопасности, эффектом газа или пара можно пренебречь (BGR 132, 2003). Это означает, что MIE чистого порошка представляет собой правильное значение. Кривые давления пара обычных растворителей показывают, что концентрация на 20% ниже предела взрыва обычно достигается при температуре примерно на 30-40 К ниже точки воспламенения. Это, конечно, верно, если температура воспламенения близка к температуре, соответствующей нижнему пределу взрыва в соответствии с кривой давления пара, что обычно и имеет место. Таким образом, это правило «30-40 K» может использоваться  для  оценки вероятности образования гибридной смеси. В отсутствие паровой атмосферы, образованной остатками предварительно загруженного растворителя в реакторе, остаточный растворитель внутри порошка также может образовать паровую атмосферу. Как правило, можно не ожидать появления гибридной смеси, если содержание остаточного растворителя в порошке ниже 0,5% от его веса (BGR 132, 2003). Это правило, однако, не применяется, если порошок, содержащий растворитель, измельчается (образование новых поверхностей с последующая десорбцией растворителя). Что касается появления наиболее вероятных источников воспламенения (см. Раздел 3), необходимо оценить наличие взрывоопасной атмосферы в следующих местах:

    Если точка воспламенения растворителя очень низкая (высокое давление пара при комнатной температуре), атмосфера, скорее всего, будет перенасыщена в реакторе (места l и 2), тогда как в области люка атмосфера, скорее всего, будет находиться в пределах взрывоопасной зоны.  Однако, если в реактор будут загружаться большие количества порошка, то при этом будет захватываться воздух и атмосфера также может стать взрывоопасной и внутри реактора. Если температура воспламенения немного ниже температуры окружающей среды, как в случае толуола или метанола, вся газовая фаза в реакторе от поверхности жидкости до люка может быть заполнена взрывоопасной атмосферой, которая, в частности для толуола, находится в его наиболее чувствительной к воспламенению концентрации. В зависимости от дисперсности порошка и способа его загрузки во всем реакторе и в области вокруг люка может присутствовать взрывоопасное облако пыли. Таким образом, в сочетании с  парами растворителя в реакторе и области люка могут образовываться гибридные смеси.

 Во время большинства производственных процессов загрузки порошков в жидкую фазу мешалка в реакторе препятствует образованию комков. В случае любого механического дефекта мешалки возможно возникновение  механических искр или горячих поверхностей, которые могут привести к воспламенению взрывоопасной атмосферы в реакторе. Другим возможным источником воспламенения является вращающаяся ось мешалки. В этом месте нельзя полностью исключить возможности появления горячей поверхности.

  • Статическое электричество

Разряды, вызванные накоплением статического электричества, могут возникать в разных местах и во время разных этапов загрузки. Их появление также зависит от способа загрузки и способа добавления порошка в реактор. Типичные причины искровых разрядов это (см. (CENELEC, 2003) для определения терминологии):

• Искровые разряды от оператора, если его экипировка не заземлена.

• Искровые разряды от любого проводящего, но не заземленного вспомогательного устройства, используемого в процедуре загрузки  порошка, например, лопаты, воронки, желоба, трубы и т. д. • Кистевые (форма электрического) разряды из-за любых непроводящих вспомогательных устройств, например, лопаты, воронки, желоба, трубы и т. д.

• Искровые разряды от любых проводящих, но не заземленных контейнеров: мешка, бункера, барабана и т. д., из которых порошок загружается в реактор. • Кистевые разряды из любого непроводящего контейнера: мешка, бункера, барабана,  и т. д., из которого порошок загружается в реактор. Искровые разряды из любых проводящих, но не заземленных креплений и фитингов внутри реактора.

• Кистевые разряды из облака пыли, образовавшегося в реакторе во время загрузки порошка.

  • Кистевые разряды из растворителя, суспензии или эмульсии, предварительно загруженных в реакто
  • Кистевые разряды из горки порошка, сформированной поверх жидкой фазы в реакторе.
  • Конические разряды из горки порошка, сформированной поверх жидкой фазы в реакторе.

 Хотя эти электростатические источники воспламенения, связанные с оборудованием, упаковкой и работой операторов, в принципе могут быть устранены с помощью соответствующих мер (использование проводящих материалов и надежного заземления), риск возникновения разрядов, связанных с самими продуктами, остается.  Они не могут быть исключены без существенных изменений свойств самого продукта. Более подробная информация о воспламенении из-за электростатических разрядов  паров газов, пыли и гибридных смесей приведена в публикации (BGR 132, 2003 и CENELEC, 2003).

  • Меры по предупреждению образования взрывоопасной атмосферы

 Когда порошки загружаются в реактор, предварительно загруженный легковоспламеняющимся растворителем открытым способом, очень трудно предотвратить образование взрывоопасной атмосферы из-за газа, паров растворителя, пыли или гибридных смесей, как указано в разделе 2. Кроме того, очень опасно полагаться только на меру «исключение источников воспламенения» для предотвращения взрывов, как указано в разделе 3. Это касается не только ситуаций с легковоспламеняющимися растворителями, а также ситуаций, когда очень чувствительные к воспламенению порошки с MIE менее 10 mJ загружают в контейнер, не содержащий растворителей. Практика показывает, что и в этом случае  очень  трудно  исключить действие  опасных источников воспламенения (Glor, 2001 и Glor, 2004). Принимая во внимание тот факт, что в случае взрыва возможны серьёзные повреждения не только оборудования и конструкций, но под

угрозой находится и жизнь персонала, то эта производственная операция в настоящее время больше не выполняется открытым способом. Загрузка  порошка в легковоспламеняющийся растворитель всегда должен выполняться в инертных условиях, то есть концентрация кислорода в реакторе должна быть ниже своего критического уровня, называемого предельной концентрацией кислорода (LOC), ниже которой взрыв уже невозможен. Снижение концентрации кислорода обычно достигается за счет добавления в реактор азота, двуокиси углерода или другого инертного газа. Обычным методом является вакуумирование реактора и последующее заполнение его инертным газом. Более подробно техническая информация описана в литературе (ESCIS (Экспертная комиссия по безопасности в швейцарской химической промышленности) 1993). Опыт показывает, что при открытии любого порта доступа к реактору инертная атмосфера внутри реактора больше не сохраняется (см. Рисунок 3). Из-за диффузии, турбулентности и проникновения воздуха концентрация кислорода в реакторе превысит LOC за короткий промежуток времени. Таким образом, загрузка порошка через любой вид блокирующей системы в предварительно инертезированный реактор является единственным безопасным способом загрузки порошка и представляет собой современную методику работ с порошками.

  Существуют различные блокирующие системы. Наиболее часто применяемые системы схематически показаны на рис.4. В таблице 1 приведены характеристики различных систем загрузки. Всем системам загрузки  порошка, за исключением системы PTS, свойственно увеличение насыщенности кислородом реактора с увеличением количества переданного порошка. Это, в частности, является препятствием в случае продуктов с низкой насыпной плотностью (объемная плотность в отличие от скелетной плотности) и / или переноса больших количеств (объемов) порошков, которые почти полностью заполняют пространство свободного газа в реакторе. На рисунке 5 показан этот эффект насыщения кислородом реактора изза воздуха, содержащегося в объемном порошке.

  • Практические аспекты – изоляция и защита от взрывов

 Говоря о фармацевтической промышленности, помимо аспектов обеспечения безопасности, связанных с загрузкой порошков в легковоспламеняющиеся атмосферы, следует также учитывать токсичность порошков. Постоянно растущая токсичность и химическая активность препаратов в последние годы, а также все более требовательные стандарты производства в отношении качества сделали герметичность неизбежным условием производства. Было разработано несколько методов, которые упразднили загрузку порошков через открытые люки. Большинство методов используют силу тяжести для загрузки порошка, но они имеют усовершенствованные  загрузочные механизмы, как показано на рисунке 6. Многие из этих методов основаны главным образом на необходимости улучшения изоляции порошков и не принимают во внимание проблемы безопасности, связанные с рисками взрыва.  Выбор между различными подходами основан на токсичности порошков, количестве загружаемого порошка и типа упаковки. Часто разные подходы сосуществуют в одной и той же производственной единице. Чаще всего порошок размещается на верхнем этаже и подается за счет силы тяжести в производственное оборудование (сушилку, реактор и т. д.), расположенное на низлежащем этаже. Зона загрузки может быть ограничена, например, кабиной с ламинарным потоком, а бочки могут быть выгружены системой подъема барабана. В этом конкретном случае операторам необходимо одевать защитные костюмы и маски с внешней подачей воздуха.  Другим распространенным подходом является использование контейнеров, оборудованных специальными автоматическими соединительными клапанами (активными и пассивными) или гибкой промежуточной емкостью (FIBC) со специальным стыковочным устройством, позволяющим присоединять и отсоединять накопитель почти герметично.  Этот метод позволяет обрабатывать большие количества порошка (> I00 кг), уменьшая необходимость ручной обработки. Это также полезно при работе с промежуточным продуктом, который необходимо хранить или помещать в карантин между различными этапами производства. Одним из наиболее подходящих решений при работе с сильно токсичными продуктами является использование перчаточной

Этот способ обеспечивает хорошую защиту оператора, продукта и окружающей среды. Однако, поскольку перчаточные камеры предназначены для конкретных задач, их эксплуатационная гибкость достаточно низка. Перчаточные камеры занимают много места, и инвестиционные затраты на них существенны.  При использовании этих методов порошок загружается благодаря силе тяжести в различные типы сосудов. Зачастую эти установки для обработки порошка приходится помещать в отдельное помещение на верхнем этаже из-за габаритов оборудования. Передаточный тоннель между загрузочной зоной и оборудованием для разгрузки часто является источником проблем. 

Известное явление засоров рукавов (порошковых мостиков) часто возникает при работе с продуктами с плохими гидродинамическими характеристиками или при наличии большого количества влаги во время загрузки. Промывка и проверка работоспособности этих труб, которые зачастую имеют длину несколько метров, достаточно просты. Как объяснялось ранее, такие системы, продукт из которых выгружается благодаря силе тяжести, могут вызывать ряд проблем, связанных с безопасностью. Как правило, трудно сделать эти установки инертными  и существует риск захвата кислорода в контейнеры во время загрузки в них порошка.

Концентрация кислорода в газовом пространстве

   Потребление азота происходит в больших количествах и, соответственно, затратно. Чтобы компенсировать эти недостатки, часто необходимо интегрировать сложное оборудование, которое может привести к снижению надежности процесса или может изменить производственный процесс, например, загружая порошок в пустой реактор (без растворителя), тем самым ставя под угрозу эффективность или срок службы технологического оборудования.

  Недостатки загрузки пустого реактора, т.е. без присутствия растворителей различны:

• Риск повреждения уплотнения мешалки или самой мешалки из-за большого количества твердых веществ в нижней части реактора.

• Повреждение облицовки реактора из-за истирания его порошком.

• Длительное время смешивания и проблемы с гомогенизацией продукта из-за образования окускованного продукта.

• Высокая электростатичность, создаваемая при введении порошка в сухих условиях.

Еще одним важным аспектом стандартов ATEX является разграничение различных зон в производственной единице. Выбор оборудования и его настройка могут влиять на определение функциональности зон, что позволяет, например, понизить категорию некоторых зон и, таким образом, воспользоваться прямыми экономическими и эксплуатационными преимуществами.

 Большинство систем обработки порошка не являются ни герметичными, ни взрывобезопасными. Тем не менее, они могут быть напрямую связаны с другим оборудованием, которое может находиться под давлением, содержать взрывоопасную атмосферу и работать при высоких температурах. В этом случае, когда нет физического барьера между двумя системами во время загрузки порошка, и из-за прямой связи между системами существует потенциальная опасность возникновения взрывоопасной атмосферы в зоне обработки порошка. Следовательно, зона обработки порошка должна быть классифицирована как взрывоопасная зона Из-за все более сложной экономической ситуации фармацевтическая и химическая промышленность сталкивается с множеством проблем при проектировании заводского оборудования. Производственные подразделения должны оставаться очень гибкими, чтобы быстро адаптироваться к изменениям на рынке и соответствовать самым строгим стандартам безопасности и контроля качества. Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание должны быть сведены к минимуму. Эти отрасли сталкиваются с дилеммой. Чтобы повысить их производительность, им необходимо изменить способ загрузки порошков в реакционные ёмкости, однако это невозможно в большинстве случаев из-за конструкции типичного оборудования для обработки порошка. Например, чтобы уменьшить количество потребляемой энергии и время загрузки партии, порошок управляемым способом загружают в реактор, который готов к заполнению растворителями, если это возможно, при температуре, в которой будет происходить реакция. Другим преимуществом загрузки порошка в жидкую фазу является то, что увеличивается срок службы оборудования и в то же время снижается список требований к обслуживанию. Как объяснялось ранее, большинство систем, которые используют силу притяжения для передачи порошка, не являются взрывобезопасными. Поэтому для улучшения процесса производства производители должны решить для себя, что лучше для них: снижение производительности их оборудования, либо непредвиденные риски. Чтобы преодолеть подобные проблемы и выполнить требования безопасности и требования к производственному процессу, система загрузки должна быть способна изолироваться от технологического оборудования во время фазы загрузки и передавать порошок в замкнутом режиме.

 Одна технология соответствует вышеперечисленным требованиям. Она основана на концепции передачи порошка активным способом без использования силы тяжести. В данном случае можно рассматривать работу с порошком (сухим или влажным)  как  работу с жидкостями. Сердцем этой концепции является PTS (запатентованная система переноса порошка, см. Рис.8), в которой для передачи порошка используется источник вакуума и источник давления. Порошок можно транспортировать из практически любого сосуда (бочка, большой мешок, контейнер, технологическое оборудование и т. д.) и на большие расстояния, что обеспечивает большую гибкость при проектировании производственных единиц. Принцип работы системы PTS настолько же прост, насколько  и эффективен. Порошок всасывается в камеру PTS посредством вакуума. Плоская фильтрующая мембрана, установленная в верхней части системы, гарантирует, что мелкие частицы продукта не попадут в вакуумную линию. Как только камера будет заполнена, цикл будет реверсирован, а порошок будет выгружен в приемный сосуд с помощью сжатого газа. В то же время фильтрующая мембрана очищается обратным потоком сжатого газа, что обеспечивает ее оптимальную производительность. Система PTS, предназначенная для давления, непосредственно устанавливается на приемном сосуде, который система может изолировать во время фазы загрузки. Одним из основных преимуществ этой технологии является то, что она позволяет отделять воздух от порошка и поддерживать инертность приемного сосуда при загрузке порошка, используя, например, азот для выгрузки продукта из камеры PTS. Таким образом, можно безопасно загружать порошок в реактор, который содержит растворители или находится под давлением, без риска взрыва или утечки опасного газа.

  Заключение

В разных отраслях промышленности в прошлом произошло множество взрывов и пожаров во время загрузки порошков в реакторы, контейнеры или мешалки, предварительно заполненными легковоспламеняющимися растворителями (Fishwick, 2003). Даже при отсутствии легковоспламеняющихся газов или паров операция загрузки порошков может привести к пожарам и взрывам, особенно в случае работы с взрывоопасными порошками (с низким MIE). Такие операции по-прежнему выполняются вручную. Как следствие, персонал рискует оказаться в зоне  пожара или взрыва. В соответствии с современным уровнем развития техники, такие операции по загрузке  продукта должны выполняться так называемым закрытым способом в реакторы или контейнеры, в которых предварительно была  создана инертная атмосфера. Необходимо следить за тем, чтобы требуемая низкая концентрация кислорода поддерживалась во время и после загрузки. Как было указано выше, безопасность большинства этих систем, которые используют силу тяжести для передачи продукта, далека от абсолютной и зависит от характеристик порошка (объемная плотность и т. д.), а также условий процесса. В худшем случае процесс, который считается безопасным для конкретной деятельности, может стать небезопасным в случае изменения одного из параметров процесса и, следовательно, должны быть проведены новые оценки риска. Поскольку система PTS  не использует силу тяжести и может удалять воздух, содержащийся в порошке, то она является наиболее безопасной и функционирует независимо от параметров процесса и характеристик порошка. Ввиду необходимости  гибкости и требуемых частых изменений  производственного процесса, а также из-за необходимости его постоянной оптимизации  является крайне важным  выбор загрузочного оборудования, которое может гарантировать полную безопасность  независимо от параметров производственного  процесса и характеристик  порошка.


Комментарии

0