Какие концепции безопасности существуют для инертизированных процессов при смешивании реактивных химикатов?
Цель и принцип инертизации
При смешивании реактивных химикатов часто применяется инертная газовая атмосфера, чтобы предотвратить образование воспламеняемых атмосфер из горючих паров, газов или пылей. Основной целью является снижение концентрации кислорода в газовом пространстве смесительной ёмкости ниже предельной концентрации кислорода (LOC), плюс определённый запас безопасности (например, примерно 2 об.-% согласно EN 1127-1), так что взрыв физически становится невозможным.
Типичными инертными газами являются:
- азот;
- диоксид углерода;
- благородные газы, такие как аргон.
Выбор происходит по химической совместимости с применяемыми веществами, а также технологическим граничным условиям.
Методы инертизации
На практике применяются различные технические концепции инертизации.
Вытеснительная инертизация
Инертный газ вводится в ёмкость, чтобы вытеснением вымыть воздух и кислород; подходит для простых геометрий ёмкости.
Наддув давлением (Blanketing)
Ёмкость эксплуатируется под постоянным избыточным давлением инертного газа; падение давления может указывать на утечки или проникновение воздуха.
Непрерывное измерение кислорода
Применение парамагнитных, электрохимических или циркониевооксидных датчиков для измерения концентрации O₂ в реальном времени. У высокореактивных систем это центральный инструмент контроля, часто с резервированными датчиками и ориентированной на безопасность обработкой.
Безопасность при вводе твёрдых веществ
Ввод твёрдых веществ в инертизированные реакторы критичен, поскольку при открытии люков или загрузочных патрубков неизбежно может проникать кислород. Для минимизации этого риска применяются следующие меры.
Шлюзы инертного газа
Твёрдые вещества подаются через системы с двойными заслонками или ячейковые шлюзы; промежуточное пространство перед каждым открытием эвакуируется или продувается инертным газом, чтобы предотвратить проникновение кислорода.
Завесы инертного газа
Постоянный поток азота у загрузочного патрубка образует барьер, снижающий обмен с окружающим воздухом.
Вакуумно-инертгазовый обмен
Многократное эвакуирование и инертизация всей ёмкости перед началом процесса для снижения остаточного кислорода, особенно в пористых или адсорбирующих твёрдых веществах.
Конструктивные меры безопасности
Параллельно с инертизацией применяются конструктивные меры взрывозащиты, чтобы ограничить ущерб установке, если воспламенение всё же произойдёт:
- Взрывостойкое по удару давления или стойкое к давлению исполнение аппаратов до максимального давления взрыва.
- Разрывные мембраны или предохранительные клапаны с определённым сбросом давления в закрытые системы (например, факел, скруббер).
- Огнепреградители в газовых и вытяжных трубопроводах для предотвращения распространения пламени.
- Заземление и выравнивание потенциалов всех токопроводящих частей установки для отвода электростатических зарядов согласно TRGS 727.
Так amixon® обеспечивает безопасность инертизированных процессов при смешивании реактивных химикатов
Инертизация с помощью вакуумной техники
При смешивании, сушке и синтезе реактивных химикатов инертизация технологического пространства является существенным принципом защиты. Смесители, вакуумные смесители и смесители-сушилки-реакторы amixon® могут быть выполнены вакуумплотными. Благодаря этому имеющуюся в смесительной камере атмосферу можно сначала откачать, а затем целенаправленно заместить инертным газом.
В качестве инертных газов — в зависимости от продукта, процесса и концепции безопасности — рассматриваются, например, азот, диоксид углерода или благородные газы. Цель состоит в том, чтобы устойчиво снизить содержание кислорода в технологическом пространстве ниже предельной концентрации кислорода, определяющей для данной системы веществ. Ниже этой концентрации не может образоваться взрывоопасная атмосфера из горючего вещества, кислорода и инертного газа. Предельная концентрация кислорода, однако, не является универсальной константой вещества: её необходимо определить для конкретного сочетания продукта, при необходимости пара растворителя и применяемого инертного газа при заданных условиях испытания.
Инертизация как система в целом
Действенность инертизации зависит не только от выбора инертного газа. Определяющими являются взрывозащитные характеристики применяемых веществ, герметичность всего аппарата, включая загрузку, выгрузку и присоединённую периферию, режим работы, а также подходящая измерительная, управляющая и контрольная техника.
Аппараты amixon® могут быть выполнены как закрытые технологические системы. Сюда относятся сваренные без щелей смесительные камеры, мешалки с опорой сверху без нижнего вывода вала, а также инспекционные и сервисные двери со статическим уплотнением OmgaSeal®. В зависимости от задачи эти присоединения могут выполняться газоплотными, вакуумплотными, а также прочными на давление или стойкими к удару давления. Многолетний опыт amixon® в переработке сложных порошков, реакционных масс и пастообразных продуктов поддерживает разработку аппаратных и защитных концепций применительно к конкретной задаче. Инертизация при этом рассматривается не как отдельная мера, а как часть замкнутой, согласованной в отношении безопасности системы в целом.
Безопасная инертизация требует, кроме того, согласованного подхода к загрузке, откачке, подаче инертного газа, выравниванию давления, выгрузке и очистке. Содержание кислорода должно надёжно регистрироваться и контролироваться в подходящем месте. Дополнительно требуется достаточный запас безопасности между измеренной в эксплуатации концентрацией кислорода и экспериментально определённой предельной концентрацией кислорода.
Надёжная оценка гибридных смесей
Особого внимания требуют так называемые гибридные смеси. Они возникают, когда в технологическом пространстве одновременно присутствуют горючая пыль и горючие газы или пары растворителей. Такие смеси могут обладать заметно более высокой чувствительностью к воспламенению и силой взрыва, чем пыль или газ по отдельности. Они могут быть взрывоопасными даже тогда, когда и концентрация пыли, и концентрация газа или пара лежат ниже соответствующего нижнего предела взрываемости.
Для гибридных смесей общезначимые утверждения возможны лишь в ограниченной мере. Поэтому оценка безопасности должна опираться на фактически применяемые вещества, диапазоны концентраций, температуры, давления и режимы работы. В общедоступной специальной литературе имеется заметно меньше подтверждённых данных по гибридным смесям, чем по чистым пылям или чистым газовоздушным смесям.
В зависимости от задачи могут поэтому потребоваться целенаправленные взрывные испытания. При этом определяются, среди прочего, максимальное давление взрыва pmax, максимальная скорость нарастания давления, а также эквивалентные значения KSt для гибридной смеси. Эти характеристики являются важной основой для оценки потенциала опасности и корректного расчёта таких мер, как прочное на давление исполнение, сброс давления или взрывостойкая развязка. Для чистых пылевых взрывов pmax и KSt определяются по нормированным лабораторным методикам как мера силы взрыва; при гибридных смесях специфичные для продукта испытания особенно важны.
Предотвращать источники воспламенения и ограничивать последствия
Наряду с предотвращением взрывоопасных атмосфер путём инертизации к концепции защиты относится предотвращение действенных источников воспламенения. Смесительные инструменты amixon® могут работать с низкими частотами вращения. Если этого требует технологическая концепция, окружная скорость может быть ограничена менее 1 м/с. Это снижает механические нагрузки и может уменьшить риск способных воспламенить событий трения, удара или искрения. Конкретная оценка источников воспламенения всегда остаётся привязанной к применению. Она охватывает, в частности, возможные электростатические заряды, обращение с посторонними телами, конструкцию подшипников и уплотнений, контроль температуры, а также выбор и исполнение электрических и механических компонентов.
Если взрывоопасную атмосферу нельзя надёжно исключить даже при предупредительной концепции защиты, может потребоваться конструктивная защита от взрыва. Аппараты amixon® — в зависимости от задачи — реализуемы прочными на давление или стойкими к удару давления. Расчёт аппарата ориентируется на определённые характеристики реальной системы веществ, в частности на pmax и KSt либо на соответствующие характеристики гибридной смеси. Сброс давления взрыва имеет смысл только как составная часть целостно согласованной концепции. При этом следует учитывать, среди прочего, безопасный отвод давления и пламени, возможные выбросы пыли или продукта, опасность для персонала, условия установки, а также взаимодействие с фильтрами, трубопроводами, загрузочными и разгрузочными устройствами.
Безопасное проведение испытаний в amixon®
Перед испытаниями с опасными веществами в amixon® проводится совместная беседа по безопасности. При этом проверяются паспорта безопасности, имеющиеся взрывозащитные характеристики, возможные опасности, а также дополнительная информация заказчика. Опасные вещества могут быть отправлены в amixon® только после письменного разрешения.
Испытательный центр amixon® позволяет подготовить и провести испытания смешивания, вакуумную сушку и реакции синтеза с оригинальными продуктами в условиях, приближенных к реальным. При этом существенные технологические величины могут систематически регистрироваться, а технологические взаимосвязи исследоваться на раннем этапе. Все важные технологические данные записываются в цифровом виде и документируются в отчёте об испытании. Результаты испытаний образуют надёжную основу для расчёта производственного аппарата, определения безопасных границ эксплуатации, калькуляции затрат, а также последующего промышленного ведения процесса.