Тема 4. Потенциально опасные технологические процессы

И ПРОИЗВОДСТВА

4.1. Типовые производственные (технологические) процессы

Производственные и технологические процессы являются одним из основных определяющих факторов потенциально опасных объектов, поэтому изучение производств, их опасностей сегодня достаточно актуально.

Каждая отрасль экономики имеет свой специфический набор технологических приемов производства, поэтому выявить свойства применяемых там технологических процессов с точки зрения опасности их для окружающей среды, обслуживающего персонала объекта и проживающего вблизи населения является одной из важнейших задач структур ГОЧС различного уровня.

В связи с постоянным и непрерывным изменением и совершенствованием производства – теоретических и проектных решений человечество не успевает накапливать достаточный опыт обеспечения безопасности производства и населения. Образно говоря, обеспечение безопасности всегда оказывается вторичным фактором. Первичен производственный процесс.

В тоже время вопрос отнесения технологических процессов к потенциально опасным весьма неоднозначен и сложен в силу ряда объективных и субъективных факторов. В, частности, следует отметить, что в территориальных органах управления РСЧС нет достаточно подготовленных специалистов, способных критически оценить получаемую информацию с объектов, связанную с безопасностью производства. В то же время существует ряд упущений в нормативно-правовой базе, результатом которых является недостаточный учет всех опасностей, существующих в пределах административно-территориальных единиц (АТЕ) – краев и областей. Иначе говоря, специалисты Единой Российской системы предупреждения и действий в ЧС могут оказаться и уже оказываются заложниками существующей нормативной базы в области предупреждения ЧС, т. к. она несовершенна и не согласована на уровне министерств и ведомств.

Например, согласно последним документам по разработке Декларации безопасности потенциально опасных объектов в число последних не вошел целый ряд производств, использующих опасные технологии (приказ № 22/49 МЧС и Госгортехнадзора «О порядке разработки Декларации безопасности промышленного объекта»). Согласно этим документам к потенциально опасным относятся лишь те процессы, которые используют опасные вещества (материалы) в определенном этим же приказом количестве и номенклатуре.

Такой подход неверен и не отражает путей решения проблемы обеспечения безопасности

на конкретной территории.

Действительно, какой из рассматриваемых объектов представляет опасность – объект, имеющий запасы 100 тонн хлора и расположенный в пустынной местности, или объект с запасом хлора 5 тонн, но размещенный в районе с высокой плотностью населения ? Выход один – в каждом конкретном случае должен быть серьезный подход, учитывающий достаточный спектр составляющих безопасности в техносфере, в частности типовые технологические процессы.

Все процессы, протекающие в сложных технологических системах, в соответствии с общими правилами взрывоопасности (1988 г.) можно разделить на:

• гидродинамические;

• тепломассообменные;

• реакционные, в т. ч. физико-химические и биологические;

• с токсическими веществами (СЛЯВ, ОХВ, вредными веществами);

• со взрывоопасными веществами и смесями;

• процессы с большой скоростью реакций;

• механические;

• комбинированные (смешанные).

В процессах первой группы токсические (ОХВ) могут участвовать в качестве исходных, конечных, промежуточных и побочных продуктов. Кроме того, токсические вещества могут образовываться из нейтральных в результате реализации опасностей аварийной ситуации. Это значит, что токсичными веществами могут являться исходные и конечные продукты производства, они могут получаться по ходу основной реакции, которая идет в несколько стадий, и, наконец, могут получаться в результате прохождения побочных реакций, в то числе в аварийном режиме. Последнее означает, что побочные реакции или всегда сопутствуют основной, или же возникают только при отклонениях от нормального режима работы, т. е. при возникновении аварийной ситуации. Например, в процессах нитрования (в химической промышленности) основным нитрующим агентом является азотная кислота, пары которой обладают токсическим действием. В то же время нитрующие агенты являются сильными окислителями. Эта двойственная природа нитрующих агентов делает возможным возникновение множества побочных реакций при нарушении нормального режима. Одним из побочных продуктов являются окислы азота, обладающие сильными токсическими свойствами.

Процессы второй подгруппы включают взрывоопасные вещества в качестве исходных, промежуточных, конечных и побочных продуктов, а также физические и химические взаимодействия, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси со всеми указанными веществами.

Процессы третьей подгруппы можно разделить на процессы с интенсивным газо- и паровыделением, сильно экзотермические реакции, автокаталитические, если последние характеризуются значительным тепловым эффектом или же интенсивным газовыделением. При интенсивном газовыделении может наступить момент, когда количество образующихся продуктов значительно превышает количество отводимых. Результатом такой ситуации является быстрый рост давления, что может привести к аварийному состоянию, если аппаратура не рассчитана на повышенное давление. Если процесс сопровождается большим выделением тепла, то необходимо предусматривать возможность его эффективного отвода (наличие «рубашки», змеевика), иначе возможен взрыв.

Обычно с ростом температуры увеличивается скорость не только основных, но и побочных реакций, которые при нормальном протекании процесса подавлены основной. Бурное развитие побочных реакций в лучшем случае ведет только к снижению выхода продукта. Часто в результате побочных реакций образуются продукты, обладающие токсическим действием, взрывоопасные по своей природе или образующие взрывоопасные смеси, возрастает выход газообразных веществ. (Все реакции нитрования являются экзотермическими, сопровождаются газовыделением (окислы азота).

Причины, приводящие к отклонению от нормального режима работы и вызывающие аварийную ситуацию, в каждом конкретном случае, выявляются путем анализа процесса и проведения соответствующих исследований. Они очень разнообразны, но основные причины аварийной ситуации можно свести к следующим:

♦ изменение соотношения подаваемых компонентов (непрерывный процесс) или скорости слива одного из компонентов (полунепрерывный процесс). И в том и в другом случае скорость химического превращения растет, что приводит к увеличению выделяемого тепла, подъему температуры, ускорению побочных реакций, интенсивному газовыделению и пр. Оба отклонения возникают при отказах средств автоматизации, оборудования, регулирующего подачу, или в результате ошибок обслуживающего персонал (при ручном управлении);

♦ снижение (отсутствие) расхода хладагента, подаваемого для охлаждения. Оно приводит к снижению теплоотбора, увеличению температуры. Причины этого явления могут быть те же;

♦ отсутствие перемешивания. В этом случае возможно накопление непрореагировавших компонентов, что при последующем включении мешалки ведет к интенсивному росту скорости реакции и, как следствие, к нарушению температурного режима. Такая ситуация возникает в результате выхода из строя оборудования;

♦ попадание посторонних продуктов в аппарат. Приводит к ускорению нештатных побочных реакций. Такая ситуация, как правило, возникает в результате ошибок персонала;

♦ нарушение состава исходных компонентов;

♦ нарушение режима удаления газов и паров.

В частности, все перечисленные ситуации характерны для процессов нитрования.

Исследуя основные производственные опасности, определим необходимые (но недостаточные) признаки отнесения технологических процессов к опасным (потенциально опасным):

▪ использование в технологическом процессе опасных химических веществ, а также вредных веществ в большом количестве;

▪ наличие на производстве легковоспламеняющихся горючих жидкостей в качестве сырья, промежуточного продукта или готовой продукции;

▪ использование в технологическом процессе в качестве сырья, промежуточного продукта, либо готовой продукции, радиоактивных веществ (материалов);

▪ производство (применение) взрывчатых веществ и материалов;

▪ применение взрывоопасных технологий: перегонка ЛВГЖ по продуктопроводам под высоким давлением; применение высокотемпературных режимов; работа установок в глубоком вакууме; использование котлов под давлением;

▪ использование технологии и оборудования, не исключающих образование пылевоздушных и газовоздушных смесей;

▪ использование технических систем, создающих опасные поражающие факторы (электромагнитные поля, СВЧ-излучение, инфракрасное излучение, лазерное и т. д.);

▪ гидротехнические сооружения;

▪ технологические процессы с использованием открытого огня;

▪ перемещение грузов (в т. ч. опасных грузов);

▪ использование энергоемких систем;

▪ непрерывные технологические процессы.

Рассматривая качественные показатели технологий и идентифицируя производства, вопрос отнесения их к опасным подходит к следующему рубежу – определению влияния на безопасность элементов производства, персонала, рабочих и служащих, населения, количественных характеристик рассматриваемых технологий. Например, количество ОХВ, используемых в технологическом процессе.

Достаточным признаком отнесения технологии к потенциально опасной является возможность проявления в процессе промышленной деятельности объекта (на стадии ввода в эксплуатацию, реконструкции и вывода из эксплуатации) опасных факторов технологических процессов, которые могут привести к поражению персонала одного цеха (рабочей площадки),

серьезному материальному ущербу, поражению населения, аварийной остановке всего производства.

Сочетание необходимых и достаточных признаков технологических процессов на объекте дает возможность поставить вопрос об отнесении объекта к потенциально опасному. Сегодня опасность объекта определяется количеством населения (рабочих и служащих), проживающих в опасной зоне, но при рассмотрении опасности технологических систем мы сознательно опускаем этот основной показатель, т. к. он определяется методом прогнозирования и может существенно отличаться от реальной ситуации.

Размеры опасных зон в данном случае не рассматриваются.

Ростехнадзором России утвержден «Перечень видов деятельности, связанных с повышенной опасностью промышленных производств (объектов) и работ», требующих обеспечения безопасности и на проведение которых выдается специальное разрешение (лицензия) органами Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России:

► проектирование, строительство и эксплуатация промышленных взрывопожароопасных и горных производств, магистральных газо-, нефте- и продуктопроводов, подземных сооружений, а также котлов, сосудов и трубопроводов, работающих под давлением;

► изготовление, монтаж и ремонт химического, бурового, нефтегазопромыслового, геологоразведочного, горно-шахтного оборудования, взрывозащищенного электрохимического оборудования, аппаратуры и систем контроля, противоаварийной защиты и сигнализации, подъемных сооружений, а также котлов, сосудов и трубопроводов, работающих под давлением;

► разработка, испытание, хранение и применение промышленных взрывчатых материалов, изделий из них, оборудования и приборов, используемых при взрывных работах, а также изготовление простейших ВВ;

► проведение экспертизы безопасности промышленных производств (объектов), оборудования и работ;

► производство маркшейдерских работ при пользовании недрами;

► транспортировка опасных грузов железнодорожным транспортом, изготовление, эксплуатация и ремонт технических систем и устройств, обеспечивающих безопасность движения на железных дорогах;

► подготовка кадров для потенциально опасных промышленных производств и объектов;

Рассмотрим более подробно некоторые основные технологические процессы, требующие решения вопросов безопасности в химической промышленности.

Безопасность производственного процесса определена ГОСТом 12.0.002-80 как «…свойство производственного процесса сохранять соответствие требованиям безопасности труда в условиях, установленных нормативно-технической документацией…» (НТД).

Безопасность производственного оборудования – свойство «…сохранять соответствие требованиям безопасности при выполнении заданных функций в условиях, установленных … НТД (ГОСТ 12.0.002-80).

Технологические процессы, представляющие опасность для персонала и ОПФ на производстве.

Экзотермические реакции:

• сгорание твердого, жидкого или газообразного топлива;

• гидрирование (используется водород под давлением и при относительно высокой температуре);

• гидролиз – реакция соединения с водой (получение серной или фосфорной кислот из окислов);

• алкилирование при получении органических соединений;

• изомеризация – перегруппировка атомов в органической молекуле;

• сульфирование в органическом синтезе;

• нейтрализация – реакция между кислотой и основанием с образованием соли и воды;

• этерификация – реакция между кислотой и спиртом, или ненасыщенным углеводородом;

• окисление – взаимодействие вещества с кислородом;

• полимеризация – соединение молекул;

• конденсация – соединение двух или более молекул органических веществ с отщеплением , или других соединений;

• галогенерирование – введение атомов фтора, хлора, брома или йода (галогенов) в

молекулу органического вещества;

• нитрование – замещение атома водорода в соединении на нитрогруппу;

• обогащение – увеличение концентрации продукта (для опасных веществ и материалов).

Эндотермические реакции:

▪ кальцинирование – нагревание материала для удаления из него влаги или других

летучих веществ;

▪ электролиз;

▪ пиролиз или крекинг – термическое разложение.

Погрузка, разгрузка и перемещение материалов:

◘ перевозка опасных веществ, материалов;

◘ погрузка и разгрузка опасных материалов;

◘ хранение материалов на складах в бочках, баллонах, транспортных танках и прочих материалов, переработки (хранения) которых выше точки кипения при нормальных условиях.

Среди большого числа разнообразных по характеру процессов технологии можно выделить группы процессов, которые при определенных условиях, возникающих вследствие нарушения требований регламента, выходят в аварийный режим с последствиями различной степени тяжести. Такие процессы называются потенциально опасными. Специфика потенциально опасных процессов состоит в том, что они могут протекать в двух различных режимах:

■ нормальное функционирование;

■ предаварийная работа.

Способность переходить в предаварийное состояние отличает потенциально опасные процессы от обычных процессов и технологий. Кроме того, спецификой определенной группы распространенных потенциально опасных процессов является наличие у них общей границы зон интенсивного протекания и неустойчивости, т. е. близость интенсивного режима ведения процесса и предаварийного режима.

Режим нормального (штатного) функционирования технологической системы характеризуется соответствием в некоторых пределах определяющих режимных параметров заданным. Последние установлены для условий оптимального ведения процесса (получения наибольшего выхода продукции соответствующего ТУ качества за наименьшее время).

В режиме нормального функционирования процесса различают три различных состояния:

◙ собственно нормальное протекание процесса, когда все определяющие параметры

соответствуют заданным;

◙ отклонение определяющих безопасность параметров в сторону уменьшения опасности;

◙ отклонение определяющих параметров в сторону увеличения опасности.

При этом все отклонения находятся в заданных пределах, обусловленных необходимой

точностью поддержания определяющих параметров.

При нарушении технологического режима, ведущего к возникновению аварийной ситуации, процесс переходит в предаварийное состояние, характеризующееся значительными отклонениями определяющих параметров от заданных пределов в строну увеличения опасности. Причины, вызывающие аварийную ситуацию, могут быть различные: от ошибок и недосмотра обслуживающего персонала до отказов (нарушения исправности) оборудования и средств автоматизации.

В предаварийном состоянии, характерном только для потенциально опасных процессов, можно выделить две фазы: в первой фазе возможен возврат процесса к нормальному

режиму, во второй фазе развитие аварийной ситуации становится необратимым и имеющимися средствами вывести процесс на нормальный режим не представляется возможным. В последнем случае необходимо прекратить ведение процесса. Возможен такой вариант процесса, когда одна из фаз предаварийного режима отсутствует. Так, если развитие аварийной ситуации не перерастает в необратимое, то вторая фаза отсутствует.

Очевидно, что если не принять меры, способствующие прекращению развития аварийной ситуации и возвращению процесса к режиму нормального функционирования или прекращению его, то возникает аварийное состояние (авария), сопровождающаяся последствиями различной степени тяжести (разрушение аппарата, загазованность помещения, человеческие жертвы и т. д.).

Повышение эффективности производства сегодня и улучшение качества продукции, выпускаемой промышленными предприятиями, тесно связано с интенсификацией технологических процессов. В каждой отрасли хозяйственной деятельности эта проблема решается различными путями – наряду с совершенствованием технологии, основанной на поиске оптимальных режимов и создание совершенных аппаратов и оборудования, все большее значение приобретает автоматизация технологических процессов. В плане обеспечения безопасности современные технологии управления исключают человеческий фактор (имеющий свойства ошибаться) из цепочки взаимосвязанных элементов производства.

Интенсификация большинства технологических процессов неотделима от проблемы их защиты средствами автоматики и телеметрии. При этом наибольшей интенсификации можно достигнуть лишь приближением технологического процесса к опасной зоне. Иными словами, при интенсификации технологического процесса приходится приближаться к границам его устойчивости. Создается равновесная зона как компромисс между эффективностью (производительностью) производства и допустимым уровнем безопасности.

Из всей совокупности процессов и технологий в целом можно выделить процессы, которые при определенных условиях выходят в аварийные режимы. Причинами возникновения аварийных ситуаций могут быть как отступления от технологического регламента, так и неисправность технологического оборудования или отказы автоматических (или неавтоматических) систем управления. Такие технологические процессы, называемые здесь потенциально опасными, имеют ряд особенностей.

Для определенной группы потенциально опасных процессов характерно наличие общей границы интенсивного протекания и устойчивости. Зона неустойчивости опасна в отношении возможности выхода процесса в аварийный режим.

При соблюдении определенных регламентом условий, при исправном оборудовании и исправной системе управления потенциально опасный процесс находится в режиме нормального функционирования. Теория управления потенциально опасными процессами в этом режиме не отличается от классической. Опасные параметры – температура, давление, скорость и др. – находятся в пределах, предусмотренных регламентом, целостность технологического оборудования обеспечивается расчетом их прочности. В этом режиме опасные параметры поддаются регулированию с помощью автоматических систем или вручную (например, стремление к созданию самогасящихся (затухающих) технологических процессов в ядерной энергетике).

Если в ходе технологического процесса под влиянием внешних воздействий будет происходить отклонение опасных параметров и они будут выходить за пределы, обусловленные регламентом, то такую ситуацию следует определить как предаварийную. Следует отметить, что на этапе функционирования оборудования в предаварийном режиме органы управления, аварийные службы объекта уже должны действовать как в условиях произошедшей аварии. К сожалению, статистики таких случаев недостаточно (случаев предотвращения аварий), т. к. информация о них не распространяется. Во всяком случае известно, что сегодня предотвращено несколько серьезных катастроф. Поэтому можно сказать, что борьба за выживание начинается или должна начинаться уже при угрозе реализации существующей на производстве опасности.

В этой ситуации мощность, накопленная при росте, например давления или температуры, еще недостаточна для разрушения реактора. В предаварийном режиме функционирования опасных параметров в регламентные границы может быть осуществлен применением специальных управляющих (защитных) воздействий.

При недостаточной эффективности управляющих воздействий возникает неуправляемая предаварийная ситуация. При дальнейшем увеличении отклонения опасных параметров и накоплении мощности процесса, способной повредить оборудование, создается аварийная ситуация. Последнее определение предполагает то, что возвращение опасных параметров в регламентированные границы не представляется возможным. В таких случаях во избежание аварии и ее последствий процесс останавливают. Это может осуществляться захолаживанием реактора, сбросом реакционных масс, остановкой технологического процесса и другими заранее предусмотренными мерами. (Штраф за заражение окружающей среды должен всегда быть выше, чем разрушенное или поврежденное в аварийной ситуации оборудование).

Сегодня интенсификация производств – объективный процесс, определенный законом экономического развития. Однако к неизбежному процессу интенсификации потенциально опасных процессов подходят разными путями. Технологический путь решения проблемы состоит в разработке эффективных условий ведения процесса и совершенного технологического оборудования, обеспечивающих безопасное и интенсивное ведение процесса. Однако поскольку условия безопасности и интенсивности часто противоречат друг другу, путь этот не всегда дает должный эффект. Интенсификации способствует создание систем автоматического регулирования процессов. Но система регулирования потенциально опасного процесса должна выполнять функции защиты, иметь повышенную надежность, что не всегда экономически целесообразно.

Таким образом, вторая особенность потенциально опасных технологических процессов определяется некоторой спецификой в вопросах управления ими. Для обеспечения автоматического управления такими процессами необходимо их всестороннее исследование. Особенностью исследования потенциально опасных процессов является необходимость изучения их динамики в предаварийном режиме. Результатами такого исследования сегодня не располагают ни технологи, разрабатывающие процесс, ни эксплуатационники. В этом заключается третья особенность рассматриваемых процессов.

Технологический процесс крупного промышленного предприятия представляет собой одну или несколько технологических систем, каждая из которых может включать:

▪ систему управления;

▪ промышленные установки (промышленное оборудование);

▪ транспортные системы;

▪ системы газоснабжения;

▪ системы электроснабжения;

▪ системы водоснабжения;

▪ системы контроля за технологическим процессом;

▪ системы безопасности.

Основа технологического процесса – промышленные установки. Исходя из того, что аварии могут происходить из-за несоответствующего проектирования тех или иных составных частей установок, которые в любом случае должны выдерживать:

• статические нагрузки;

• динамические нагрузки;

• внутренние и внешние напряжения;

• коррозию;

• нагрузки, возникающие из-за больших перепадов температур;

• нагрузки от внешних воздействий (ветер, снег, землетрясение, просадка почв, сели, цунами и т. п.).

Все эти виды нагрузок и воздействий включены в соответствующие стандарты по проектированию и в нормы технологического проектирования (ОНТП-86). Требования, указанные в этих документах являются лишь минимальными требованиями по обеспечению безопасности промышленных установок и технологических процессов в целом, на которых возможны крупные аварии (последствия которых распространяются за пределы территории объекта).

Особую важность они представляют для систем, находящихся под давлением, содержащих легковоспламеняющихся взрывоопасные и токсичные газы, или для жидкостей, хранящихся при температуре, превышающей их точку кипения.

Работа таких систем обязательно контролируется. Если промышленная установка спроектирована так, что она может выдерживать все нагрузки, возникающие в процессе обычных или предполагаемых экстремальных условий работы, то задачей системы контроля производственных процессов должно быть обеспечение безопасной работы установки в заданных пределах.

Для этого предполагается использование:

• ручного управления;

• автоматического контроля;

• системы автоматического отключения технологических установок;

• предохранительных устройств;

• систем аварийной сигнализации.

Основная идея безопасности производственного процесса заключается в том, чтобы надежно обеспечивать безопасные условия его работы. При помощи систем контроля переменные характеристики производственного процесса в случае нарушения нормального режима удерживаются в безопасных пределах.

Переменными в контролируемом процессе могут быть:

▪ температур;

▪ давление;

▪ скорость сырьевого потока;

▪ соотношение компонентов;

▪ скорость изменения параметров.

Наиболее передовые системы контроля имеют структуру тройного действия. Примером такой системы являются терморегулирующие устройства, регистрирующие превышение оптимальной температуры в процессе (например, химической реакции в химической промышленности). При достижении критической температуры система включает дополнительное охлаждение.

Для обеспечения безопасности в опасном технологическом процессе системы контроля должны охватывать все основные технологические установки и их элементы, составляющие этот процесс. Это – аппараты, насосы, компрессоры, вентиляторы и т. д.

Необходимо отметить, что любая система контроля может не всегда правильно срабатывать в фазах включения и остановки производственного процесса. Поэтому как элемент защиты применяются системы безопасности.

Системы безопасности в технологическом процессе

Любая промышленная установка, эксплуатация которой может привести к крупным авариям, требует выполнения дополнительных мероприятий по безопасности и применения систем безопасности, включающих:

▪ системы предотвращения отклонений от допустимых рабочих режимов;

▪ системы и устройства аварийного сброса давления;

▪ датчики температуры, давления, скоростей процесса;

▪ системы, предупреждающие переполнение аппаратов;

▪ системы безаварийной остановки процесса;

▪ системы предупреждения разрушения деталей и узлов систем безопасности;

▪ локальные системы энергоснабжения;

▪ системы аварийной сигнализации;

▪ системы контроля параметров процесса;

▪ обнаружения неисправностей узлов;

▪ обнаружения утечек;

▪ обнаружения открытого огня, дыма;

▪ обнаружения опасных концентраций ОХВ;

▪ обнаружения поврежденных защитных устройств;

▪ средства технической защиты.

Работу систем безопасности на предприятии должны обеспечивать технические средства, за счет работы которых можно предотвратить либо ослабить последствия аварий.

Средства технической защиты включают:

♦ газовые детекторы;

♦ системы распыления воды;

♦ коллективные сборники;

♦ автоматические системы пожаротушения;

♦ системы взрывозащиты;

♦ системы распыления пара;

♦ системы защиты от неправильных действий персонала.

Анализ современного состояния промышленного производства подсказывает, что даже при разработке технологических процессов, проектирования и использования технологических установок в соответствии с современной нормативной базой мы не гарантированы от возможных крупных аварий, т. к. современное производство –крайне сложная (и иногда непредсказуемая по последствиям) система. Поэтому любое энергоемкое производство требует определенных усилий по обеспечению безопасности.