Turvallisuus prosessien suunnittelussa ja käyttöönotossa Moduuli 1 Turvallisuus prosessin valinnassa ja skaalauksessa 1
Moduuli 1: Turvallisuus prosessin valinnassa ja skaalauksessa Optimoitavan valmistusreitin valinta Luento 2 2
1. Luonnon aiheesta yleistä 2. Vaihtoehtoja koskeva lähdeaineisto 3. Raaka-aineet 4. Välituotteet 5. Sivutuotteet ja jätteet 6. Prosessin skaalaus 3
Ideasta laboratorioon Idea Tutkimus paperilla Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet Teoreettinen toteutusmahdollisuus Testauspalvelut Vaarojen alustava arviointi Räjähdys, tulipalo, myrkyllisyys, ympäristö, lämpö, reaktiivisuus, radioaktiivisuus, korroosio, fysiokemialliset ominaisuudet Konservatiiviset turvallisuusvaatimukset Laboratoriokokeet Kirjallisuus Lähde: Prugh, R.W. Chem. Eng. Prog., vol. 63, s 49. (1967) 4
Prosessin kehittämisestä Työskennellessäni teollisuudessa tutkijakollegani valittivat joskus ulkoisten turvallisuuspiirteiden korkeaa hintaa. He antoivat ymmärtää, että vaatimalla niin paljon turvallisuuslaitteita tein heidän suunnitelmistaan epätaloudellisia. Vastasin, että turvallisuuslaitteet olivat välttämättömiä, koska he olivat kehittäneet niin huonoja prosesseja - siis huonoja muutenkin kuin turvallisuuden kannalta.... Jos tutkijat keksisivät parempia prosesseja, ei olisi tarvetta lisätä niin paljon turvalaitteita.»prof. Trevor Kletz 5
Prosessi on muutakin kuin kemiaa Jotta riittävä turvallisuustaso saavutettaisiin, on T&K-kemistinkin tutustuttava - synteesikemian lisäksi - siihen järjestelmään, jota tämän kemian ympärille tullaan luomaan tai jonka yhteyteen se viedään. Riittävän kattavan näkemyksen luomiseksi kemistillä on alusta lähtien oltava tukenaan eri tahoja edustavien henkilöiden ryhmä, johon voi kuulua esim. suunnittelu-, turvallisuus- ja ympäristönsuojeluhenkilöstöä. 6
Valintavelvollisuus Kemikaalilain valintavelvollisuusperiaatetta sovellettaessa otetaan riskinarvioinnin ohella huomioon taloudelliset ja tekniset mahdollisuudet valita tarjolla olevista vaihtoehdoista sopivin (ALARP-periaate). Valintavelvollisuuden soveltaminen käytäntöön on ennen kaikkea kemikaalin käyttäjän harkinnan ja toiminnan varassa. Valintavelvollisuus sisältyy YK:n vuonna 1992 hyväksymän toimintaohjelman Agenda 21:n periaatteisiin. 7
ALARP-periaate Todennäköisyys kasvaa Sietämättömät riskit ALARP-alue Laajasti hyväksytyt riskit Seuraukset kasvavat 8
Luontaisesti turvallisemmat prosessit Tavoiteltavin tapa poistaa vaaroja tai pienentää riskiä on muuttaa aineita, kemiaa tai prosessimuuttujia niin, että pienempi vaara on uusille olosuhteille ominaista. Prosessia, jonka vaaraa henkilöille ja ympäristölle on pienennetty, voidaan nimittää luontaisesti turvallisemmaksi prosessiksi. Käytetyssä terminologiassa tunnustetaan, ettei ole olemassa riskitöntä kemiallista prosessia. Sen sijaan kaikki prosessit voidaan tehdä turvallisemmiksi. 9
Luontaisen turvallisuuden periaatteet Luontainen turvallisuus on periaatteeltaan yksinkertainen ajattelutapa. Alan guru professori Trevor Kletz on kiteyttänyt periaatteen yhteen lauseeseen: "What you don t have, can t leak." Kletzin mukaan luontaisesti turvallisempiin ratkaisuihin päästään soveltamalla neljää pääperiaatetta (myöhemmin on ehdotettu muutamaa muutakin periaatetta). 10
Kletzin periaatteet Intensification Substitution Attenuation Simplification Vaarallisten kemikaalien määriä vähennetään. Vaaralliset kemikaalit korvataan vähemmän vaarallisilla. Sinänsä vaarallista kemikaalia käytetään vaarattomammassa muodossa. Pyritään mahdollisimman selkeisiin ja yksinkertaisiin ratkaisuihin. 11
Kletzin periaatteiden soveltaminen kemikaaleihin raaka-aineet tuotteet sivutuotteet reaktioseokset jätteet häiriössä syntyvät yhdisteet Kaasu valmisteet pesuliuokset huurut savusumu öljysumu dispersiot emulsiot Neste Olomuoto jne. Kiinteä 12
1. Luennon aiheesta yleistä 2. Vaihtoehtoja koskeva lähdeaineisto 3. Raaka-aineet 4. Välituotteet 5. Sivutuotteet ja jätteet 6. Prosessin skaalaus 13
Arviointikriteereitä valmistusreittiä valittaessa Turvallisuuden kannalta on arvioitava mm.: olemassa olevan tiedon tasoa puuttuvan tiedon merkitystä käsiteltäviä kemikaaleja olosuhteita (mm. paine, lämpötila, korroosio) kemiallisia reaktioita (mm. kaasunmuodostus, nopeus) laitevaatimuksia jätteiden ja jätevesien käsittelyä lainsäädännön asettamia rajoituksia yrityksen itselleen asettamia ehtoja. 14
Prosessitiedon käyttö arvioinnissa Arviot valmistusreittivaihtoehtojen turvallisuudesta riippuvat usein siitä, miten hyvin projektitiimi onnistuu ottamaan huomioon niihin liittyvät monet epävarmuustekijät. Tietolähteestä riippuen pitää esim. prosessin saantoa/ jätemääriä/ kierrätettävää kemikaalimäärää joko vähentää tai nostaa vertailukelpoisen lähtötilanteen aikaansaamiseksi. 15
Valmistusreittivaihtoehtojen määrittely Eri valmistusreittivaihtoehtoihin liittyvän vaarojen arvioinnin tuloksena saatava turvallisuustaso riippuu tarkasteltavan tiedon tasosta. Prosessivaihtoehdot pitää määritellä riittävän yksityiskohtaisesti. Prosessi voidaan määritellä neljällä tasolla: prosessi kuten se on dokumentoitu prosessi tuotannon normaaleilla vaihteluilla prosessi geneerisillä häiriöillä prosessi kaikilla potentiaalisilla häiriöillä. 16
Tiedon taso eri lähteissä Tieteelliset artikkelit: Yleensä valmistusreitti on optimoitu laboratorioon sopivaksi. Patentit: Valmistusreitin kemia voi olla hyvin kuvattu, mutta jokin tärkeä asia on jätetty pois tarkoituksella. Laboratoriokokeet: Omat laboratoriokokeet ovat hyvä tietolähde, mutta vievät paljon aikaa ja rahaa. Lisensoitava prosessi: Tieto on yleensä hyvää tasoa, mutta hinta on usein korkea. Oma teollinen prosessi: Omasta vanhasta prosessista voi ottaa opiksi. 17
Onnettomuustiedon käyttö arvioinnissa Käytettäviin kemikaaleihin liittyvä onnettomuustieto Käytettävään kemiaan liittyvä onnettomuustieto Käytettäviin laitteisiin liittyvä onnettomuustieto 18
Viimeaikaisia onnettomuuksia Internetistä löytyy muutama ilmainen onnettomuustietopankki, josta löytyy lyhyitä kuvauksia viimeaikaisia onnettomuuksista. Esimerkiksi: U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Boardin (CSB) alainen Chemical Incident Reports Centerin (CIRC) tietopankki: http://www.chemsafety.gov/circ/post.cfm tamperelaisen ility Engineeringin ylläpitämä tietopankki: http://www.saunalahti.fi/ility/incidenthistory.htm 19
Laitostiedon käyttö arvioinnissa Tehdas, johon prosessi sijoitetaan, vaikuttaa valmistusreitin valintaan: tunnetut aineet / uudet kemikaalit tunnettu kemia / uusi kemia sopivat laitteet sopiva infrastruktuuri (esim. typpi, korkeapainehöyry, jätevedenpuhdistamo) tehtaan sijainnin aiheuttamat rajoitukset muut prosessit tehtaassa. 20
1. Luennon aiheesta yleistä 2. Vaihtoehtoja koskeva lähdeaineisto 3. Raaka-aineet 4. Välituotteet 5. Sivutuotteet ja jätteet 6. Prosessin skaalaus 21
Tiedot raaka-aineista Mitkä aineet ostetaan, mitkä tuotetaan itse? Kuljetusmahdollisuuksia selvitettävä. Kaupallisille aineille käyttöturvallisuustiedotteet (KTT) ovat olemassa. Uusille aineille on KTT:t laadittava ennen aineen käyttöönottoa tehtaalla. Teollisuusmittakaavassa ostettavat aineet saattavat laadultaan poiketa laboratoriossa käytetyistä uusia riskejä. 22
1. Luennon aiheesta yleistä 2. Vaihtoehtoja koskeva lähdeaineisto 3. Raaka-aineet 4. Välituotteet 5. Sivutuotteet ja jätteet 6. Prosessin skaalaus 23
Välituotteet Turvallinen lopputuote ei välttämättä tarkoita, että välituotteet ja sivutuotteet ovat turvallisia. Eristettävät välituotteet: Useimmat yritykset katsovat, että käyttöturvallisuustiedotteet on näistä välituotteista oltava olemassa tuotantoa aloitettaessa. Seoksessa olevat välituotteet: Yleensä näistä ei laadita käyttöturvallisuustiedotteita, joskin sellaiset olisi hyvä olla. 24
1. Luennon aiheesta yleistä 2. Vaihtoehtoja koskeva lähdeaineisto 3. Raaka-aineet 4. Välituotteet 5. Sivutuotteet ja jätteet 6. Prosessin skaalaus 25
Sivutuotteista ja jätteistä Sivutuotteita tai jätteitä ovat mm. normaalisti syntyvät sivutuotteet / jätteet häiriön yhteydessä syntyvät yhdisteet pitkällisen varastoinnin aikana syntyvät hajoamistuotteet kierrätyksessä kertyvät sivutuotteet pinnoille kertyvät sivutuotteet. 26
Tietoja sivutuotteista ja jätteistä Sivutuotteista löytyy yleensä heikosti turvallisuustietoa. Tieto on yleensä hankittava itse. Epästabiileiksi tiedettyjä funktionaalisia ryhmiä ovat mm.: -O 2 -, -O-X, -NO 2, -NO, =NO 2 -, -ONO 2, -ONO- =N 2, -N 2 -, -N 3, =N 3 -, -N 2 - X +, =N-X, -NF 2, -NS= -C C-, -C C- O 27
1. Luennon aiheesta yleistä 2. Vaihtoehtoja koskeva lähdeaineisto 3. Raaka-aineet 4. Välituotteet 5. Sivutuotteet ja jätteet 6. Prosessin skaalaus 28
Vaarallisia reaktioita Räjähdyksenomaiset reaktiot. Reaktiot, jotka aiheuttavat tulipaloja (itsesyttyminen). Eksotermiset reaktiot, eli reaktiot, joissa vapautuu energiaa. Reaktiot, joissa voi muodostua (palavia tai myrkyllisiä) kaasuja. Huom! Sekä toivotut että ei-toivotut reaktiot. 29
Ongelmia reaktioiden kanssa... Reaktion normaali lämmöntuotto ylitti reaktorin jäähdytystehon. Reaktioseoksessa tapahtui hajoamista. Muodostui epästabiileja sivutuotteita. Hapetusreaktio nitrauksen sijaan. Liian matala lämpötila - reagenssit akkumuloituivat ja reagoivat sitten. Laitteiston materiaali katalysoi reaktion. Tuote kaasuuntui. 30
Perussyitä reaktion hallinnan menettämiselle Lähde 1: Inhimilliset virheet Puutteelliset tiedot kemiasta Energialähteen menetys Reagenssien väärä lisäysjärjestys Reagenssien väärä sekoittaminen Epäpuhtaudet jne. Lähde 2: Reagenssien väärä panostus Reaktiokemian / termokemian puutteellinen selvittäminen Lämpötilan puutteellinen hallinta Riittämätön kunnossapito Epäpuhtaat raakaaineet Inhimilliset virheet jne. 31
Lämpöä tuottaviksi (ekso( ekso- termisiksi) tiedettyjä reaktioita Aminointi Halogenointi Hapetus Nitraus Polymerointi Sulfonointi Hydraus 32
Hidasko reaktio turvallisin? Luontaisesti turvallisin prosessivaihtoehto ei välttämättä ole hidas, vaan monesti suhteellisen nopea. Nopea reaktio: vähentää raaka-aineiden akkumuloitumista ja sivutuotteiden muodostumista, lyhentää läpimenoaikoja ja sitä kautta tehtaalla ja varastoissa olevia kemikaalimääriä, jne. 33
Valinnanmahdollisuuksia... Katalyytin käyttö Entsyymeihin perustuva kemia tai biosynteesi Reagenssien immobilisointi Helpommin tai huonommin haihtuva liuotin Reagenssien laimentaminen Reaktiot vesifaasissa eikä vaarallisissa liuottimissa Vaarallisten yksikköoperaatioiden eliminointi jne. 34
Robusti prosessi On luontaisesti turvallisempaa kehittää prosessi, jonka turvallinen toiminta-alue on laaja ja joka on vähemmän herkkä kriittisten, turvallisuuteen vaikuttavien parametrien suhteen. Tällaisesta prosessista voidaan käyttää nimeä anteeksiantava tai robusti. Turvallisten toiminta-alueiden rajojen määritteleminen edellyttää tutkittavan prosessin syvällistä ymmärtämistä. 35
Lämmönsiirto Lämmön tuotto Terminen riistäytyminen Poistettu lämpö Tuotettu lämpö Lämpötila 36
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 Anna-Mari.Heikkila@vtt.fi Yngve.Malmen@vtt.fi Kiitos! 37