KIES EEN VEILIGER INSTALLATIEONTWERP

ENGINEERINGnet.BE
PROCESS TECHNOLOGY
Weet wat je blust (deel 2)
kies een veiliger
installatieontwerp
Het vermijden van explosies, brand of het ontsnappen van giftige
dampen is de doelstelling van elk chemisch bedrijf. Toch zijn chemische
accidenten niet altijd uit te sluiten omdat nieuwe chemische bestanddelen
nu eenmaal slechts met zeer reactieve chemicaliën kunnen worden
geproduceerd. De ernst van chemische ongevallen kan men echter
reduceren door een oordeelkundig installatie- en bouwconcept.
R
eactoren die gekoeld en verhit
worden met thermische olie zijn
inherent veel veiliger dan systemen werkzaam op stoom, warm water,
koud water en glycol (fig. 1). Dit geldt
vooral voor reactoren waarin reacties
met watergevoelige producten (POCl3,
PCl5, etc.) plaatsgrijpen. Enkel reactoren
op thermische olie zijn daarvoor 100%
veilig. Chlorering-reacties vinden plaats
in reactorvaten die aan de binnenkant
geëmailleerd zijn. Er zijn gevallen bekend
waarbij het email beschadigd werd,
waarna een penetratie van de binnenste
reactorwand plaatsvond. Wanneer om
te koelen of verhitten in de mantel een
waterhoudend thermisch medium wordt
gebruikt, dan kan dit bij perforatie van
de binnenste reactorwand in het reactiemengsel terechtkomen om dan explosief
met het watergevoelige product te reageren. Wanneer een reactiemengsel dat
ongeveer 1000 kg PCl5 bevat accidenteel
door Frank Moerman, KU Leuven
in contact komt met grote hoeveelheden
waterhoudend thermisch medium, dan
kan er 876 kg zoutzuur-gas gevormd
worden. Is dat met stoom van 120°C,
dan wordt ongeveer 773 m3 zoutzuur-gas
gevormd. Grijpt dit plaats in een reactor
van 3000 l, dan loopt de druk in die reactor
op tot ongeveer 260 bar.
Oliecircuits bieden ook als voordeel
dat niet langer 4 verschillende thermische
media (stoom, warm water, koud water
of glycol) nodig zijn; maar slechts één
vloeistofcircuit. Stoom en warm water
zijn dan enkel nog noodzakelijk om eventueel apparatuur te reinigen. Thermische
oliesystemen verhogen ook de eenvoud
van manipulatie voor de operatoren. Men
hoeft niet langer stapsgewijs over te schakelen van warm water naar stoom, of van
warm water naar koud water en zo verder
naar glycol. Men hoeft dus geen veelvoud
aan kranen te openen en/of te sluiten, wat
het risico op verkeerde manipulaties (bv.
door interims) verkleint. Bij gebruik van
thermische olie is de reactormantel altijd
gevuld, en de overschakeling van zeer
heet, naar warm, naar kouder en diepe
koeling is zeer snel gemaakt. Ideaal dus
om een snelle noodkoeling op gang te
brengen, bv. bij 'runaway' reacties waar de
temperatuur buiten-proportioneel stijgt.
Als men telkens eerst de reactormantel
moet leegdrukken alvorens de overschakeling te kunnen maken van stoom naar
warm water, vervolgens naar koelwater
en uiteindelijk glycol, dan verliest men
verschrikkelijk veel tijd. Systemen op
thermische olie sluiten ook cross-contaminatie tussen thermische vloeistoffen
uit. Bij de overgang van koud water naar
glycol (of omgekeerd) kan men niet uitsluiten dat koud water in de glycol terechtkomt, waardoor laatstgenoemde verdund
wordt. Om de glycol-concentratie in dat
koudemiddel opnieuw te verhogen, zal
men dat koudemiddel regelmatig moeten
indampen. Gebruikt men thermische olie
in plaats van glycol om diep te koelen,
dan is het indampen van glycol niet
langer vereist. Bij verhitten en koelen met
thermische olie treedt ook minder kostvorming aan de binnenzijde van de reactorwand op, waardoor een meer efficiënte
warmteoverdracht gegarandeerd blijft.
Bij gebruik van pekelwater (brine-water)
als koelvloeistof kan ook ophoping van
chlorides in de lagere stilstaande zones
van de reactormantel plaatsvinden (zgn.
'reactor jacket pockets'). Bij een daaropvolgende verhitting met stoom, kan op
die plaatsen waar een op-concentratie van
chlorides plaatsvond, versnelde corrosie
in de reactormantel optreden.
Condensors koelen met
olie als koudemiddel
Condensors met olie als koelmiddel
genieten de absolute voorkeur op condensors werkend op water/glycol, zeker
bij reacties met watergevoelige producten.
Pumps, Water & Process - juni 2014 25
ENGINEERINGNET.BE
PROCESS TECHNOLOGY
Grafietkoelers zijn veiliger dan glascondensors.
Vermijd technische
onvolmaaktheden
Figuur 1: plant voor productie van bulkfarmaceutica:
1. reactor met mantel, 2. roerboom, 3. roerder, 4. motor, 5. mangat, 6. mangatdeksel,
7. collector (voor rechtstreekse dosage van vloeistoffen, en om te purgeren met stikstof),
8. destillatie/reflux-kolom, 9. vlinderklep, 10. condensor in glas, 11. gemotoriseerde
kraan om te kiezen tussen reflux-stand en/of afdestilleer-stand, 12. reflux-leiding,
13. destillaatleiding, 14. vloeistofkoeler met serpentijn, 15. ballon voor opvang destillaat (tegelijkertijd ook doseerballon), 16. doseerleiding, 17. gaskoeler,
18. atmosferische ontluchting, 19. centrale afzuiging, 20. gasabsorber, 21. opslag
gasabsorber-vloeistof, 22. steekpomp om gasabsorber-vloeistof naar boven te pompen,
23. gemotoriseerde kraan om de reactor op de ontluchting of de gasabsorber aan te
sluiten, 24. bodemkraan, 25. kijkglas, 26. staalnamekraan.
Opmerkingen: Deze plant is niet geschikt om reacties met watergevoelige reagentia uit te
voeren gezien het gebruik van waterhoudende thermische media om de reactor te koelen
en verhitten. Het gebruik van waterhoudend-koelmiddel in de fragiele glas condensor vormt
nog een veel groter gevaar voor dergelijke watergevoelige reacties. Bij de start van een
koelproces moet de gemotoriseerde kraan (23) de reactor automatisch loskoppelen van de
gasabsorber (20) en hem automatisch aansluiten op de ont-luchting (18). De gasabsorber
(20) mag niet te hoog hangen. Vult de gasabsorber zich accidenteel met wasvloeistof (bv.
verstopping van vloeistofuitlaat van de gasabsorber door een raschig-ring), dan kan een
hevel-effect ontstaan wanneer het vloeistofniveau in de gasabsorber stijgt tot voorbij het
niveau van de gaskoeleruitlaat. <<
26
Pumps, Water & Process - juni 2014
De koelcapaciteit van een reactor moet
voldoende groot zijn, opdat er altijd voldoende warmte kan afgevoerd worden en
volledige koeling van de reactor mogelijk
is. Reacties die sneller opwarmen (door
de exothermiek) dan dat ze in een gegeven reactor afgekoeld kunnen worden,
moeten - om de temperatuur in de hand
te houden - plaatsvinden in reactoren
die wel over voldoende koelcapaciteit
beschikken. Continue on-line-registratie
van kritische parameters zoals reactortemperatuur, temperatuur aan de in- en
uitgang van het thermisch oliecircuit (ter
hoogte van de reactor), reflux-temperatuur en druk zijn wenselijk om continue
follow-up en het achterhalen van de
proceshistoriek mogelijk te maken. Ze
kunnen u iets bijleren over de thermochemie van de aan-gang-zijnde reactie(s) en
het eventuele drukverloop.
Tijdens het koelen van een tank/reactor
ontstaat ook een onderdruk, waardoor
wasvloeistof uit de gasabsorber zou
kunnen aangezogen worden wanneer de
verbinding reactor-gasabsorber niet is
afgesloten. Om het probleem van menselijk falen te omzeilen, moet van zodra
een koelproces in de reactor wordt in gang
gezet (of bij een bepaalde t° limiet) de verbinding reactor-gasabsorber automatisch
afgesloten kunnen worden (bij middel van
een gemotoriseerde kraan).
De neutralisatie- en gaswascapaciteit
van een scrubber moet steeds voldoende
groot zijn. Als de scrubber-capaciteit
onafdoende is voor de hoeveelheid te
wassen gassen die bij een gegeven reactie
vrijkomen, dan jaagt men schadelijke
gassen de atmosfeer in.
Het is beter om gasabsorbers niet te
hoog te hangen, zodat geen heveleffecten
kunnen optreden. Als aanbeveling kan de
gasinlaat naar de waskolom/gasabsorber
toe, het best 1,5-2 m lager liggen dan de
uitlaat van de nakoeler/gaskoeler (fig. 1).
Zelf heb ik ooit een gasabsorber (in glas)
zien vullen met was-vloeistof tot 1,5-2 m
hoog, omdat een losgeraakte raschig-ring
de uitlaat voor de wasvloeistof (onderaan
de gasabsorber) blokkeerde. Doordat die
gasabsorber te hoog hing, trad een heve-
ENGINEERINGnet.BE
PROCESS TECHNOLOGY
leffect op waarbij de wasvloeistof uit de
gasabsorber wegvloeide, en uiteindelijk
via de gaskoeler en de reflux-leiding in
de reactor terechtkwam.
Er moeten voldoende doseerballons
aanwezig zijn, zodat de kans op mogelijke
reacties tussen reagentia bij opeenvolgende dosages tot een minimum herleid
wordt (fig. 2).
Men moet ook absoluut vermijden dat te
veel reactoren op dezelfde vacuümpomp
zijn aangesloten. Bij een te groot aantal
gebruikers kan het vacuüm bij bepaalde
gebruikers gedeeltelijk wegvallen. Is die
gebruiker een vacuümdestillatie, dan zal
het kookpunt van het te destilleren solventmengsel bij een minder diep vacuüm
gaan stijgen. Herstelt het vacuüm zich
opnieuw op het vroegere niveau, dan
kan het solventmengsel veel te heet zijn
voor het daarbijhorende vacuüm. Dan
gaat het solvent-mengsel overkoken, en
krijg men een solventmengsel dat in de
reflux-kolom gaat opspatten/ophutsen tot
tegen het glaswerk aan de ingang van de
condensor. Als dat glaswerk dan breekt,
dan komen solventdampen in de productieruimte terecht. Die solventdampen
kunnen dan vrij gemakkelijk aangestoken
worden (fig. 3).
Met betrekking tot de installatie van
leidingen in de plant moet men volgende
aanbevelingen opvolgen:
Vermijd de kruising van leidingen die
niet compatibele vloeistoffen en reagentia
vertransporteren. Bij lekkage kunnen ze
onderling heftig (sterk exotherm en explosief) met elkaar reageren, onder vorming
toxische gassen.
Hou het aantal koppelingen, lasnaden
en kleppen minimaal; het zijn de plaatsen
waar het snelst breuk of corrosie optreden
(met lekkage tot gevolg).
Alle leidingen over de ganse plant
moeten dezelfde doormeter hebben, zodat
in geval van nood volledige leidingcompatibiliteit verzekerd is.
Leidingen vertonen best een helling
van minimum 2° zodat ze volledig leeg
kunnen lopen.
Solventen of corrosieve oplossingen
mogen niet op de stoom- of thermische
olie-leidingen kunnen druppelen. Ontleding van chloroform aan een heet oppervlak gaat gepaard met de vorming van
corrosieve zoutzure dampen. De ontleding
van acetonitrile aan een heet oppervlak
gaat gepaard met de vorming van nitreuze
dampen en blauwzuur (HCN). Hydrazine
kan ontsteken in contact met een hittebron. Wanneer zoutzuur op een hete
leiding druppelt, dan verdampt het water.
Men krijgt dan een op-concentratie van
chlorides aan het oppervlak van de leiding
waardoor bij hoge temperaturen de corrosie van de stoom-/thermische olie-leiding
versneld wordt. Als dan ten gevolge lekkage bv. hete stoom in de productieruimte
ontsnapt, dan kunnen naburige leidingen
met solvent opgewarmd worden, of operatoren kunnen brandwonden oplopen.
Gebruikslimieten van
multi-purpose-installaties
Met een multipurpose-installatie kan
men ook niet alle processen uitvoeren.
Productie-units mogen dan wel uitgebouwd zijn in de meest diverse configuraties, sommige processen vereisen
gespecialiseerde apparatuur en specifieke
veiligheidsmaatregelen.
Figuur 3: als de temperatuur van het solventmengsel te hoog is voor het daarbijhorende
vacuüm, dan zal het ophutsen tot tegen het
glaswerk aan de ingang van de condensor.
Delocalisatie
Het toevoercircuit van de thermische
olie, het koelsysteem, de regelapparatuur
(kleppen en debiet-meters), etc. staan bij
voorkeur in technische corridors op tussenverdiepingen. Ook alle mechanische,
elektrische, pneumatische, hydraulische
en elektronische componenten, compressoren, etc. plaatst men best in technische
ruimten. Op die manier is de goede werking van de nutsvoorzieningen (vooral dus
het koelsysteem) zolang mogelijk verzekerd bij een eventueel rampenscenario.
Noodkoelsysteem
Een noodkoelsysteem zou geactiveerd
kunnen worden als er een abnormale
temperatuurstijging in de reactor optreedt
(men zou een t° limiet kunnen instellen).
Bij overschrijding van die limiet zou
automatisch het verwarmingscircuit geïnactiveerd en het koelcircuit ingeschakeld
kunnen worden. <<
Bronnen
Figuur 2: er
moeten voldoende
doseerballons
aanwezig zijn om
reacties tussen
reagentia bij
opeenvolgende
dosages te
vermijden.
Barton, J. & Rogers, R. (1997), ‘Chemical Reaction
Hazards’, 2nd edition, Institution of Chemical Engineers,
Warwickshire, United Kingdom, 225 p.
Hoffman, J.M. & Maser, D.C. (1985), ‘Chemical Process
Hazard Review’, ACS Symposium series N° 274, American
Chemical Society, Washington, United States, 121 p.
Leggett, D. (2000), ‘Runaway Reactions: ignore the
chemistry at your peril’, Chemical Engineering, 107 (8),
78-85.
Lerman, M.J. (1987), ‘Extending the life of glass-lined
equipment’, Chemical Engineering, 94 (6), 40-49.
Scott, R.A. & Doemeny, L.J. (1987), ‘Design
Vansant, E.F. (1997), ‘Cursus Veiligheidskunde’,
Universiteit Antwerpen
Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie
(2011), ‘Chemiekaartenboek’, 26e editie
Pumps, Water & Process - juni 2014 27

Download Report