Повышение уровня безопасности промышленного объекта при работе с хлором

УДК 658. 386; 66-03

Н. В. Шильникова, Е. Б. Гаврилов

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА ПРИ РАБОТЕ С ХЛОРОМ

Ключевые слова: аварийные ситуации, высокоопасные вещества, адсорбер, очистка газов, безопасность.

Повышение промышленной безопасности при работе с высокоопасными веществами на хлораторной станции, путем подбора и введения в эксплуатацию абсорбционной колонны, позволяющей повысить уровень очистки газовых выбросов хлора в случаях аварийных ситуаций.

Keywords: emergencies, high-risk substance, adsorber, gas purification, safety.

Increasing industrial safety when working with high-risk substances on the chlorination plant, through the selection and commissioning of an absorption column, which increases the level of gas emissions purification of chlorine in cases of emergencies.

Повышение безопасности при работе с высокоопасными веществами, к которым относится хлор, является одной из основных задач эксплуатации опасных и химически опасных объектов. Способом решения данной проблемы может быть модернизация технологической линии, путем введения дополнительного оборудования для устранения возможных аварийных ситуаций. Подбор и применение абсорбционной колонны, которая предназначена для очищения воздуха при превышении в нем ПДК по хлору, позволит решить данную задачу при работе хлораторной станции.

Хлораторная входит в состав водопроводной насосной станции (ВНС№1), относящейся к ООО «Заинск-Водоканал», является объектом жизнеобеспечения: осуществляет деятельность по обеспечению хозяйственно-питьевой водой населения и промышленные предприятия. На территории расположены обособленно следующие строения и сооружения: насосная станция с пристроем, хлораторная, 2 бытовых вагончика, КПП, 2 резервуара чистой воды, подземные, объемом 3000 м3 каждая, которые расположены на общей площади 2,1 га. В соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" хлораторная станция является опасным производственным объектом и подлежит регистрации в государственном реестре. Основные составляющие хлораторной представлены в таблице 1.

Таблица І - Основные составляющие хлораторной

Составляющие объекта Краткая характеристика составляющих объекта

Назначение Состав Метод производства

Хлораторная Прием контейнера с жидким хлором, хранение контейнера, испарение, дозирование газообразного хлора в воду для обеззараживания Контейнер, фильтры, система дозирования «Эдванс», трубопроводы Выгрузка, хранение, испарение, растворение хлора в воде

Из объектов поддерживающих работу хлораторной можно выделить:

- сухотруб (снаружи здания), на расстояние трех метров от земли по всему периметру;

- вентиляционная установка вытяжная основная, с постоянным режимом работы;

- вентиляционная установка вытяжная аварийная, с периодическим режимом работы;

- вентиляционная установка приточная основная, с постоянным режимом работы.

1G5

При производстве, хранении, транспортировке и применении сильнодействующего высокоопасного вещества - хлора, существует потенциальная опасность аварии. Основным поражающим фактором в аварийной ситуации с выбросом жидкого и газообразного хлора является токсическое поражение, при взрыве контейнера с хлором внутри помещения или на открытой площадке - ударная волна и токсическое поражение.

Хлор оказывает общетоксическое и раздражающее действие, вызывает химические ожоги, проникает в дыхательные пути, поражает легочную ткань и вызывает отек легких. Большую опасность для пораженного хлором представляют нарушение со стороны сердечнососудистой системы. Хлор вызывает острые дерматиты с покраснением и отечностью, переходящие в экзему (2-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007) [1]. Газообразный хлор тяжелее кислорода в 2,3 раза и воздуха в 2,5 раза, для определения и регистрации содержания хлора в воздухе производственных помещений используют автоматические стационарные или переносные газоанализаторы.

Предельно допустимые концентрации хлора в воздухе рабочей зоны - 0,1 мг/м3, максимальная разовая - 0,1 мг/м3, среднесуточная - 0, 03 мг/м3. Чувствительность человека к хлору различна и зависит от концентрации хлора в воздухе и продолжительности пребывания человека в зараженной среде, влияние различных концентраций хлора на человека представлено в таблице 2.

Таблица 2 - Влияние хлора в воздухе на человека

Концентрации хлора (мг/м3) Действие на организм человека

3 Наименьшая концентрация, вызывающая слабые симптомы раздражения после нескольких часов пребывания

10,5 Предел восприятия - самая низкая концентрация, воспринимаемая обонянием

120-180 Опасная концентрация при пребывании в этой атмосфере от 30 минут до 1 часа

3000 Смертельная доза при нескольких глубоких вздохах

Наиболее опасны утечки жидкого хлора, при испарении 1 л жидкого хлора образуется около 450л газообразного хлора. Процесс выброса хлоргаза в окружающую среду при разгерметизации оборудования может быть представлен в виде трех последовательных стадий: - мгновенного испарения хлора, - интенсивного кипения, - квазистационарного кипения.

Мгновенное испарение хлора происходит за счет накопленной в нем теплоты перегрева, зависящей от температуры хранения и характеризуется быстрым (в течение десятых долей секунды) переходом в газообразное состояние до 18 % жидкого хлора, содержащегося в сосуде (в условиях хранения жидкого хлора при температуре 293 °К). Мгновенно испарившимся хлором будет диспергирована и унесена в виде мелких капель жидкая фаза, которая войдет в состав газоаэрозольного хлорного облака. Количество диспергированной фазы может быть сравнимо с количеством образовавшегося хлоргаза и увеличивает массу первичного облака до ~36 % от общей массы хлора, содержащегося в разгерметизированном оборудовании.

Оставшаяся часть жидкого хлора, охлажденная до температуры его кипения при атмосферном давлении, будет кипеть из-за теплопритока от поверхности контакта. Этот процесс, по мере охлаждения поверхности контакта замедляется в течение15-20 мин и переходит в режим квазистационарного испарения, характеризующийся достаточно низкой интенсивностью образования хлоргаза.

При кипении в условиях ограниченного пролива (в поддон, обвалование и т.п.) испаряется в среднем от 1 до 1,5% общей массы хлора, содержащегося в сосуде. Наибольшую опасность представляет стадия мгновенного испарения хлора. Происходит образование пароаэрозольного облака, которое из-за высокой плотности быстро растекается и слабо рассеивается. Процесс растекания - около 1 минуты, скорость растекания - до 10 м/с, растекающееся облако хлора стремительно охватывает большую площадь с находящимися на ней производственными и административными объектами, что может привести к гибели людей [2].

лучаи массовой гибели людей отмечались в радиусе 50-200 м от места выброса хлора (статистика крупномасштабных выбросов хлора в нашей стране и за рубежом). Анализ основных причин произошедших аварий показал, что причинами аварий, связанными с разгерметизацией контейнеров, оборудования и трубопроводов и выбросом (утечкой) газообразного и жидкого хлора, могут быть:

- превышение допустимых значений параметров (давления, температуры, нормы заполнения),

- попадание в технологическое оборудование инородных компонентов (вода, органические вещества и др.),

- коррозионный износ, неудовлетворительное техническое состояние и обслуживание оборудования и трубопроводов,

- ошибочные действия персонала, механические повреждения, диверсионные акты и прочие.

В производственных условиях получаемый жидкий хлор содержит в небольших количествах нелетучий остаток (серную кислоту и ее соли), трихлорид азота, влагу и другие примеси. В самом нижнем слое жидкого хлора в хлорном контейнере концентрация серной кислоты может достигнуть 4% (по массе). Накопление в хлорном контейнере серной кислоты может привести к их коррозии.

Важнейшим показателем качества хлора является содержание в нем влаги. Известно, что влажный хлор усиленно коррозирует емкость, аппараты, трубопроводы, арматуру и КИПиА.

Трихлорид азота (КС13) является крайне нежелательной и опасной примесью в хлоре, трихлорид азота - взрывчатое вещество, обладающее высокой чувствительностью к удару, трению и нагреванию, может послужить причиной хлопков и сильных взрывов трубопроводов, аппаратов, контейнера.

Уровень опасности аварийного выброса (утечки) хлора из оборудования и трубопроводов зависит от многих факторов, однако наиболее вероятным сценарием развития аварийной ситуации в хлораторной является разгерметизация хлоропроводов, оборудования, аппаратуры хлораторной [3]. Возникновение аварийной ситуации по этому сценарию обусловлено утечкой хлора из хлоропроводов, оборудования, возможна вследствие причин, указанных в таблице 3.

Таблица 3 - Причины аварийных ситуаций в хлораторной

1 2 3 4

Нарушение герметичности под воздействием коррозии Повышение давления Износ материала прокладок фланцевых соединений Разгерметизация запорной арматуры трубопроводов и аппаратов

Было предложено использовать абсорбционную колонну, которая предназначена для очищения воздуха при превышение в нем ПДК по хлору. Для этого был произведен подбор наиболее подходящей для этого процесса абсорбционной колонны.

В промышленности абсорбция широко применяется для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей, для санитарной очистки газов, для выделения из газовых смесей ценных компонентов и т.д. [4,5].

При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распыливающие. При выборе абсорбера учитывались достоинства и недостатки различных типов этих аппаратов.

Поверхностные абсорберы малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов [6].

Преимуществом распылительных абсорберов является их простота и дешевизна, низкое гидравлическое сопротивление, а недостатками - дополнительные затраты энергии на распыление жидкости, большая плотность орошения и трудность регулирования подачи большого количества жидкости

Преимуществом барботажных абсорберов является хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости, кроме того в барботажных абсорберах легко осуществить отвод теплоты. Основной недостаток барботажных абсорберов сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны - наиболее распространенный тип абсорберов. Преимуществом является простота устройства, особенно важная при работе с агрессивными средами, так как в этом случае требуется защита от коррозии только корпуса колонны и поддерживающих насадку решеток, насадка же может быть выполнена из химически стойкого материала. Важным преимуществом насадочных колонн более низкое, чем в барботажных абсорберах, гидравлическое сопротивление. Однако насадочные колонны мало пригодны при работе с загрязненными жидкостями, при малых расходах жидкости и при больших тепловыделениях.

При выборе конструкционных и защитных материалов для изготовления технологического оборудования и трубопроводов учитывались их механическая прочность, стойкость к агрессивному воздействию хлора. В результате абсорбции хлора с раствором №ОН образуются соединения являющиеся коррозионно-активным, поэтому наиболее подходит насадочный тип абсорбера с керамической насадкой, кроме того, при работе под атмосферным давлением гидравлическое сопротивление насадочного абсорбера будет меньше, чем у барботажного.

Также учитывалось то, что водный раствор аммиака при температуре 15 С° является коррозионно активным веществом, поэтому в качестве конструкционного материала для основных деталей лучше выбирать нержавеющую сталь марки, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600°С.

Основной величиной для расчета абсорбционной колонны является концентрация абсорбтива на входе в колонну. Она должна быть максимальной из возможных вариантов. Был рассмотрен наиболее опасный вариант разгерметизации контейнера, случай разрушении штуцера в контейнере по жидкой фазе. В случае истечения жидкой фазы скорость утечки описывается уравнением Бернулли:

Wж = Л/2 • (Р1 - Р)/рж , дж = w ж •рж • р ,

где Р1 - давление в контейнере, МПа; Р - давление в помещении, МПа; Р - площадь сечения,

2 3

из которого осуществляется утечка, м ; рж - плотность жидкого хлора, кг/м ; дж — массовая производительность утечки, кг/с; Ж - скорость истечения жидкой фазы, м/с.

Wж = 7 2 • (1,2 - 0,101)/1,56 = 1,187, м/с дж = 1,187 • 1,56 • 0,0000785 = 0,000145 , кг/с

Вырываясь из контейнера, жидкий хлор сразу будет переходить в газообразное состояние из-за разности давлений и температур. Следовательно, практически мгновенно концентрация хлора в помещении превысит ПДК (1 мгр/м2), поскольку площадь помещения составляет 157 м2. Сработает датчик газоанализатора, включится насос подающий абсорбент в колонну и вентилятор для газовой смеси.

Учитывая погрешности в расчетах, несвоевременное срабатывание насоса и вентилятора и незначительное влияние концентрации на размеры аппарата, примем концентрацию абсорбтива на входе в колонну 1 гр/м3. По нашим расчетам такая концентрация возникнет через: C = (0,001 • 157) / 0,000145 = 1083 с.=18, мин.

Раствор соды каустической, используемой для нейтрализации хлора, должен содержать 200^250 г/л (18-20% мас.) NaOH. Концентрация каустической соды в отработанном растворе должна быть не менее 5-10 г/л. Расход соды каустической (NaOH) на нейтрализацию 1 т хлора составляет 1150 кг. Температура хранения раствора NaOH по условиям кристаллизации не должна быть ниже минус 25°С. Так как раствор будет хранится в открытом резервуаре, то необходимо периодически доливать в него воду для компенсации испарения.

Для нейтрализации могут так же использоваться "известковое молоко" (гидроокись кальция), сода кальцинированная (карбонат натрия), в нашем случае был выбран раствор соды каустической, из-за простоты в хранении и приготовлении.

Применение в работе хлораторной станции абсорбционной колонны, предназначенной для нейтрализации аварийных выбросов хлора, снизит риск заражения ядовитым веществом, повысит безопасность и улучшит экологические показатели. Санитарная очистка воздуха защитит работников и окружающую среду от токсичного влияния хлора.

Если по каким либо причинам абсорбционная колонна будет не справляться с потоком загрязненного воздуха, то локализация аварии должна проводиться с включенной аварийной вентиляцией и подачи воды в сухотруб для создания водяной завесы при помощи которой, происходит нейтрализация хлора и предохранение от распространения «хлорной волны».

На кафедре промышленной безопасности была разработана и схема очистки воды в случаях возникновения аварийных ситуаций и их устранение с использованием насадочного адсорбера, применительно к Заинской водопроводной насосной станции №1.

Литература

1. Шаталов, А.А. Безопасность при обращении с хлором /А.А. Шаталов, Б.Ю. Ягуд, В.Я. Перевощиков.

- 2-е изд. - М.: Институт риска и безопасности, 2002. - 328 с.

2. ПБ 09-594-03. Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора / Утверждены постановлением Госгортехнадзора РФ от 5 июня 2003 г. N 48 - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 94 с.

3. Довженок, Е.Ю. Анализ причин аварий при использовании контейнеров с хлором / Е.Ю. Довженок, Н.В.Шильникова, Т.В. Андрияшина // Жить в 21 веке. Казань:КГТУ, 2009.

4. Рамм, В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. - М.: Химия, 1976. - 656 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. -М.: Химия, 1983. - 272 с

6. Лобашов, Л.К. Исследование процесса осушки хлоргаза серной кислотой в аппаратах с ударным смешением потоков /Л.К. Лобашов и др. // Химическая промышленность. - 1972. - № 6.- С. 443-445.

© Н. В. Шильникова - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ, kstu@pb.ru; Е. Б. Гаврилов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.