Turvallisuus prosessien suunnittelussa ja käyttöönotossa. Moduuli 1 Turvallisuus prosessin valinnassa ja skaalauksessa

Transkriptio

1 Turvallisuus prosessien suunnittelussa ja käyttöönotossa Moduuli 1 Turvallisuus prosessin valinnassa ja skaalauksessa

2 Moduuli 1: Turvallisuus prosessin valinnassa ja skaalauksessa Turvallisuuteen vaikuttavat perusilmiöt siirrettäessä prosessia tehdasmittakaavaan Luento 4

3 1. Luennon aiheesta yleistä 2. Tehdaskemia 3. Aineen- ja lämmönsiirto 4. Läpimenoaika / inventaario / aikataulutus 5. Panosprosessi, puolipanosprosessi vaiko jatkuvatoiminen prosessi 6. Rakennemateriaalit

4 Laboratoriosta pilot-tehtaaseen Testauspalvelut Laboratoriokokeet Kirjallisuus Sivutuotteet Likaantuminen Tekninen toteutettavuus Reaktiolämpö Reaktionopeudet Ainepitoisuudet Kaasunpoisto Inertointi Rajoittaminen Tukahduttaminen Skaalauksesta johtuvien vaarojen tutkimus Tuotantovaiheet Turvallisuusspesifikaatiot Turvallisuussäännöt Pilot-plant-kokeet Lämmönsiirto Laitemitoitus Adiabaattinen käyttäytyminen Korroosio Inertointi Lähde: Prugh, R.W. Chem. Eng. Prog., vol.63, s 49. (1967)

5 Pilotista tehtaaseen Pilot-plant-kokeet Layout Talous Optimaaliset tuotanto-olosuhteet Reaktiovaarojen tutkiminen Täysimittainen tehdas Lukitukset Laitesuunnittelu Automaatiojärjestelmät Lähde: Prugh, R.W. Chem. Eng. Prog., vol. 63, s 49. (1967)

6 Valmistusreittivaihtoehdoista prosessivaihtoehtoihin Valmistusreittivaihtoehdoilla on tällä kurssilla tarkoitettu toisistaan poikkeavia kemiallisia reaktioita hyödyntäviä vaihtoehtoja. Prosessivaihtoehdoilla puolestaan tarkoitetaan niitä vaihtoehtoja, joilla tietty kemiallinen valmistusreitti voidaan toteuttaa tehdasmittakaavassa. Prosessivaihtoehdon oikealla valinnalla voidaan vielä merkittävästi vaikuttaa tulevan tehtaan luontaiseen turvallisuuteen.

7 Prosessisuunnittelun aikana määriteltäviä asioita Raaka-aineisiin, tuotteisiin ja apuaineisiin liittyviä tekijöitä Prosessi ja sen kemia Päälaitteet ja apulaitteet Hyödykkeet Jätteiden käsittely Turvajärjestelmät Ohjaus ja säätö Käyttö ja kunnossapito

8 Prosessivaihtoehdon valintaan vaikuttavia tekijöitä Tuotteen määrä, laatu ja tuotantokustannukset Investointikustannukset Kokemusperäinen tieto Prosessin ohjattavuus Turvallisuus-, terveys- ja ympäristötekijät Yksinkertaisemmat laitokset ovat halvempia ja käyttäjäystävällisempiä. Trevor Kletz, 1984

9 Prosessin skaalaus Laboratoriomittakaavassa testatut kemialliset ja fysikaaliset ilmiöt eivät aina toimi samalla tavoin tuotantomittakaavassa. Myöskään laboratoriossa käytettävät menettelytavat eivät toimi samalla tavoin tuotantomittakaavassa. Koetuloksissa on yleensä epävarmuustekijöitä. Laboratorio Pilot-laitos Koelaitos Tuotantolaitos

10 Turvamarginaali Laboratoriokokeiden antamien tulosten ja tehtaalla käytettävien olosuhteiden väliin on määritettävä turvamarginaali, sillä: tutkittu näyte voi poiketa tehtaan aineesta / seoksesta koetuloksiin sisältyy menetelmistä johtuvia epävarmuustekijöitä tehdasta ei voida ajaa turvallisuuskriittisellä alueella. Kuitenkin: yleistä sääntöä turvamarginaalin määrittämiseksi ei voida antaa.

11 Esimerkki: T ONSET :n mittaus Laite Koeparametrit Näytemäärä* TO ( o C) Huom. DSC 10 o C/min 3.5 mg 122 Teräsastia DSC 1 o C/min 6.5 mg 93 Teräsastia IST AST ARC Isotermiset askeleet 5 o C 20 o C:sta, askel 5 o C, 24 h odotus 50 o C:sta, askel 5 o C, 15 min odotus, φ = g 57 Lasiastia 1000 g 55 Lasinen Dewarastia 3.6 g 82 Kevyt Has-telloypommi SEDEX 0,5 o C skannaten 5 g 84 Avoin putki SIKAREX 0,125 o C skannaten 5 g 72 Avoin putki * t-butyyli-peroksibentsoaatti Lähde: CCPS

12 Seurausten arviointi Monessa yhteydessä termisen riskin elementit - vakavuus ja todennäköisyys - eivät käytännön kannalta yksistään riitä kuvaamaan prosessiturvallisuuden tasoa. Lämmön- tai esimerkiksi kaasunmuodostus reaktorissa voi nimittäin ylittää turvallisena pidettävän tason jo huomattavasti ennen termisen kontrollin menettämistä. Tällöin prosessiturvallisuuden arvioinnissa tulee merkittäväksi seurausten arviointi, jossa voidaan käyttää apuna esimerkiksi prosessin kineettistä mallia.

13 Turvamarginaaliesimerkki T/ºC 20 ºC vaarallinen turvallinen 15 % x

14 Turvallisuuskokeiden antamien tulosten tulkinta Kalorimetristen ja termoanalyyttisten kartoitusmenetelmien antamien tulosten tulkinta vaatii tarkkuutta ja kokemusta etenkin, jos kyse on reaktiosta tai hajoamisesta, joka ei seuraa normaalia kinetiikkaa. Asiantuntijan sanoin: Termoanalyyttiset ja kalorimetriset määritykset eivät ole kuin sulamispisteen määrittely, jossa luetaan tulos mittarista. Kokeiden suorittaminen ja tulkinta on syytä antaa kokeneen asiantuntijan tehtäväksi!

15 Esimerkkejä turvallisuuden kannalta kriittisistä tekijöistä Virtausmäärien ja -suuntien muutos Lämpötilan muutos Paineen muutos Ekso- tai endoterminen reaktio Nopea / hidas reaktio Panosprosessi, puolipanosprosessi tai jatkuvatoiminen prosessi Tekninen vika (sekoituksen/lämmityksen/ jäähdytyksen loppuminen tai muuttuminen)

16 Esisuunnittelu Esisuunnittelua voidaan tehdä jo ennen lopullisen prosessivaihtoehdon valitsemista, jolloin voidaan vertailla useampia prosessivaihtoehtoja keskenään. Esisuunnittelun aikana määritellään: massa-, aine- ja energiataseet prosessin rakenne prosessiolosuhteet lohkokaavio sekä alustava virtauskaavio hahmotelma layoutista käyttäjävaatimukset kannattavuus.

17 Massa-, aine- ja energiataseet Taseista muodostuu yhtälöryhmä, jonka avulla prosessia ja sen parametrien muutoksia voidaan mallintaa ja optimoida matemaattisesti. Optimoitavia turvallisuuteen vaikuttavia suureita ovat esimerkiksi: tuotantomäärä tuotteen laatu ja koostumus läpimenoaika laitteiden mitoitus välisäiliöiden tarpeellisuus kriittiset toimintarajat.

18 Prosessin rakenne ja prosessiolosuhteet Prosessin rakennetta ja prosessiolosuhteita suunniteltaessa tulisi pyrkiä noudattamaan luontaisen turvallisuuden periaatteita. Kletzin mukaan luontaisesti turvallisempiin ratkaisuihin päästään soveltamalla neljää pääperiaatetta.

19 Prosessi lohkokaaviona Prosessi koostuu yksikköoperaatioista, joiden yhteistoimintaa ohjataan ja säädetään prosessiautomaatiolla halutun lopputuloksen saamiseksi. höyry raakaaineet reaktori lämmitys erotus tuotteet lauhde jäähdytys

20 Hahmotelma layoutista Esisuunnittelun aikana on olemassa yksi tai muutamia sijoitusvaihtoehtoja. Ensimmäisissä layout hahmotelmissa sijoitellaan prosessin yksikköoperaatioiden päälaitteita turva- ja kunnossapitoväleineen. Kriittisiä tekijöitä ovat tilantarve vs. käytettävissä oleva tila. Useimmiten uusi prosessi pyritään mahduttamaan olemassa olevalle tehdasalueelle. Näiden hahmotelmien pohjalta tehdään sijoituspäätös, joka jatkossa rajaa suunnittelua.

21 Syyt ja tarpeet Käyttäjävaatimukset Prosessin toiminnot Prosessilaitteiden rakenne Käyttöympäristö Järjestelmän käyttäjät Automaatioaste Tarvittavat ohjaustoiminnot, hallintaperiaatteet Turvallisuus- ja laatunäkökohdat Alustava automaation kelpoistussuunnitelma

22 Kannattavuus Esisuunnittelun aikana määritellään prosessilla saavutettavissa oleva tuotanto määrä ja tuotantokustannukset. Tuotantomäärän, tuotantokustannusten ja investointikustannusten pohjalta saadaan alustava arvio hankkeen kannattavuudelle. Mm. kannattavuusarvion ja markkinatilanteen pohjalta päätetään prosessivaihtoehdosta sekä prosessisuunnittelun ja muiden valmistelujen jatkamisesta.

23 Perussuunnittelu Kun prosessivaihtoehto on valittu, siirrytään prosessin perussuunnitteluun. Perussuunnittelun aikana määrittyvät: virtauskaavio putkisto- ja instrumentointikaavio laitteiden, putkistojen ja instrumentoinnin mitoitukseen tarvittavat prosessitiedot käytön, käynnistyksen sekä ylös- ja alasajon toimintatavat alustava layout automaation toiminnallinen kuvaus automaation kelpoistussuunnitelma.

24 Yhteenveto Turvallisuustutkimus on väline, jota tulisi käyttää prosessi- ja tuotekehityksen ohjaamiseen sen kaikissa vaiheissa. Taseet tulee laskea mahdollisimman varhaisessa vaiheessa yllätysten välttämiseksi. Prosessin matemaattinen mallinnus ja simulointi on nopeiden tietokoneiden myötä tullut mahdolliseksi. Pilot-tehtaan käyttäminen prosessin skaalauksen yhteydessä antaa varmuutta prosessisuunnitteluun.

26 Esimerkkejä turvallisuuteen vaikuttavista tekijöistä Lämmönsiirto Aineensiirto / sekoitus Vaahtoaminen Lisäysnopeus Katalyyttien likaantuminen Epäpuhtauksien kertyminen

27 Pilot-laitoksen hyödyntäminen Pilot-laitoksessa testataan laitetekniikkaa pikemminkin kuin kemiaa. Pilot-toiminnot poikkeavatkin yleensä merkittävästi laboratoriomittakaavan kokeista. Kemiastakin saadaan uutta tietoa, kunhan kokeet (ml. näytteenotto ja analysointi) suunnitellaan huolella. Tietoa saadaan esimerkiksi prosessin toimivuuden, korroosionopeuksien, katalyyttien deaktivoitumisen ja siirtopintojen likaantumisen arvioimiseen.

28 Kalorimetrialla mitattavaa Tutkimuskohde DSC µ-c RC AdC Sekoituksen vaikutus X X X Kemiallisen koostumuksen vaikutus* X X X X Syöttöjärjestys X X Prosessityyppi X X X *mm. epäpuhtauksien vaikutukset, reagenssien väärä panostus ja inhibiittien tai stabilisaattoreiden virheellinen käyttö Lähde: HarsBook,

29 Kidemuoto ja viskositeetti Aineen hienojakoisuuden lisäksi myös kidemuoto aiheuttaa vaikeuksia suodatuksissa yms. Viskositeetti nousee, jos kidemuoto on väärä. Korkea viskositeetti voi aiheuttaa esimerkiksi aineensiirto-, lämmönsiirto- ja mittausongelmia.

30 ph Prosessinohjauksessa ph:n säätö on yleisesti kuvattu kaikista vaikeimmaksi yksittäiseksi säätöpiiriksi. Syitä ovat mm: reagenssin syöttö ja ph ovat epälineaarisessa suhteessa toisiinsa. tavoitepisteessä pienikin lisäysmäärä aiheuttaa suuria muutoksia ph:ssa. syöttömäärän ja ph:n suhde muuttuu usein, kun esimerkiksi jätevettä neutraloidaan.

32 Taseiden muodostaminen Massatase Ainetase Energiatase Periaatteena on, että kaikki mikä menee prosessiin tulee myös ulos prosessista. Taseita muuttelemalla vaikutetaan esimerkiksi saantoon ja tuotteen laatuun.

33 Massatase Massataseeseen sisältyvät: Raaka-aineet Pää- ja sivutuotteet Apuaineet (mm. katalyytti, inhibiittori) Jätteet (jätevesi, kiinteä jäte, päästöt ilmaan) Hyödykkeet (mm. vesi, höyry, ilma, typpi) m 3 m 1 prosessi m 2 m 4 m 1 + m 3 = m 2 + m 4

34 Ainetase Ainetase kertoo komponenttien määrän prosessivirroissa. Turvallisuuden kannalta huomioitavaa: faasit (neste, kaasu, kiinteä) ja faasimuutokset reaktiokinetiikka aineensiirto prosessiolosuhteet.

35 Ainetase m = massavirta x, y = aineen x tai y osuus massavirrasta m 2 x 2 y 2 m 3 x 3 y 3 m 1 x 1 y 1 m 4 x 4 y 4 x 1 *m 1 + x 3 * m 3 = x 2 * m 2 + x 4 * m 4 y 1 *m 1 + y 3 * m 3 = y 2 * m 2 + y 4 * m 4

36 Energiatase Energiatasapainoon vaikuttavat mm: aineiden lämpötilat ja ominaislämpökapasiteetit virtausmäärät lämmönsiirtokertoimet lämmönsiirtopinta-ala reaktiossa syntyvä tai sitoutuva energia lämmitys / jäähdytys.

37 Energiatalous Prosessiteollisuudessa pyritään energiatalouden optimointiin. Tämä tarkoittaa mm. energiaintensiivisempien prosessivaihtoehtojen kehittämistä ja käyttöönottoa sekä prosessissa syntyvän ja liikkuvan energian hyödyntämistä. Prosessivirtojen käyttö lämmittämään tai jäähdyttämään toisia prosessivirtoja asettaa lisävaatimuksia mm. turvallisuuden tarkastelulle, sillä prosessit kytkeytyvät toisiinsa ja laitokset monimutkaistuvat. Luontainen turvallisuus?

38 Lämmönsiirto Lämmön tuotto Terminen riistäytyminen Poistettu lämpö Tuotettu lämpö Lämpötila

39 Varoaika RÄJÄHDYS Suojautuminen T (ºC) Korjaavat toimet Varastointi Tuotanto Varoaika (min)

41 Läpimenoaika Aika siitä kun raaka-aineet tuodaan tehtaalle siihen kun tuote ja sivutuotteet jättävät tehtaan vaikuttaa turvallisuuteen. Mitä lyhyempi tämä aika on, sitä vähemmän kemikaaleja per aikayksikkö esiintyy tehtaalla. Mitä vähemmän kemikaaleja on, sitä pienempi on suuronnettomuuden todennäköisyys. Trevor Kletz: What you don t have, can t leak

42 Inventaario Tehtaalla esiintyvä suuri kemikaalimäärä voi johtua myös muista seikoista kuin pitkistä läpimenoajoista: tuotetta tehdään varastoon raaka-aineita ja puolivalmisteita pidetään varastossa lyhyen toimitusajan varmistamiseksi vanhoja, ylijääneitä kemikaaleja ei tuhota vaan säästetään vastaisen varalle. tilapäinen keskeytys prosessin loppupäässä kemikaalien kierrätys raaka-aineiden matala konversioaste jne.

43 Aikataulutus Prosessin eri vaiheiden aikataulutus vaikuttaa varastointitarpeeseen ja sitä kautta turvallisuuteen. Eri vaiheiden tai tuotteiden samanaikainen valmistus lähellä olevissa laitteissa saattaa olla turvallisuusriski. Eri vaiheiden tai tuotteiden perättäinen valmistus samoissa laitteissa saattaa olla turvallisuusriski. Raaka-aineiden liian aikainen saapuminen tehtaalle lisää riskiä.

45 Panos vaiko jatkuvatoiminen? Panos- ja puolipanosprosessit Helpompi eristää Vaatii enemmän henkilökuntaa: operointivirheet mahdollisia, mutta vaaratilanteessa henkilökuntaa, joka voi ryhtyä vastatoimiin. Jatkuvatoimiset prosessit Vähemmän ainetta prosessissa Helpompi säätää automaation avulla Vähemmän ylös- ja alasajoja Vähemmän puhdistustarvetta Vaaralliset välituotteet voidaan tuottaa ilman välivarastointia.

47 Rakennemateriaalin valinta Rakennemateriaalin valinta määritellylle prosessille ja tiettyihin prosessiolosuhteisiin perustuu: käyttökokemuksiin vastaavista laitteista vastaavissa olosuhteissa olemassa oleviin putkisto- ja laitteistostandardeihin toimittajien informaatioon käyttökokemuksista pilot-kokeisiin materiaalin soveltuvuuden ja luotettavuuden testauksiin.

48 Rakennemateriaalit ja turvallisuus Painetta, kylmyyttä ja lämpöä kestävä ml. tulipalotilanteet Kemikaalikestävyys myös häiriötilanteissa Korroosiokestävyys huom: rajapinnat Hauraus, sitkeys, murtumisominaisuudet ml. ulkoisen tai sisäisen iskun kestävyys Puhtausvaatimukset ml. mikrobiologinen puhtaus

49 Tekijänoikeudet Tämä aineisto on kaikkien vapaasti käytettävissä opetustarkoituksiin.tekijät toivovat materiaalia käytettäessä noudatettavan hyvää viittaustapaa. Jos materiaaliin tehdään muutoksia, ei ole suotavaa käyttää ALARP-logoa. Aineistossa esitetyt tulkinnat ovat tekijöiden omia näkemyksiä, ellei toisin ole mainittu. Tekijät eivät vastaa aineiston käytöstä mahdollisesti aiheutuvista vahingoista. Palaute Otamme mielellämme vastaan palautetta tästä materiaalista. Kysymyksiin vastaavat Anna-Mari Heikkilä ja Yngve Malmén. VTT Tuotteet ja tuotanto, Tampere Kiitos!