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PROGETTAZIONE DI UN PROCESSO CHIMICO IN UN REATTORE
La valutazione dei rischi è un requisito del TU sulla sicurezza. La valutazione dei rischi è uno
studio organizzato utilizzando i seguenti step:
1. individuazione dei pericoli
2. decisione su chi puo’ essere colpito e come
3. valutazione del rischio che sorge dal pericolo
4. decisione sulle precauzione da prendere,verifica se sono adeguate
5. registrazione dei risultati
6. revisione e valutazione nel tempo se necessario
Ci sono principalmente 4 eventi che hanno potenziali impatti sulla sicurezza:
a)incendi
b)esplosioni
c)rilascio di sostanze pericolose
d)rilascio di sostanze corrosive
Nella valutazione dei rischi bisogna valutare per esempio:
a)incendio (miscelazione di sostanze incompatibili,agnizione a seguito spillamento o rilascio di
infiammabili;attività pericolose come la saldatura;eventi esterni come fulmini;incendi da zone
limitrofe)
b)esplosioni(incendi,agnizione,reazioni esotermiche,aumento di pressione dovuto a generazione di
gas)
c)rilascio(errori umani,deficienze nel contenimento,impatti)
Le precauzioni che bisogna implementare riguardano la progettazione ingegneristica.gli standard di
installazione,le buone prassi operative,le procedure. Come detto il primo step è l’identificazione dei
pericoli,i quali hanno origine da :
1. caratteristiche delle sostanze usate
2. caratteristiche dei parametri di processo e l’impianto stesso
Si possono usare le seguenti misure per ridurre il rischio
1. misure passive(queste minimizzano il pericolo con la progettazione,riducono la
frequenza o le conseguenze per esempio,firewalls,orifizi,sistemi per il controllo del
flusso etc)
2. misure attive (safety interlock,emergency shutdown systems)
3. misure procedurali(sop,piani di emergenza,approccio manageriale per prevenire gli
incidenti)
4. processi inerentemente sicuri (progettazione di processi inerentemente
sicuri:sostituzione di materiali con alcuni meno pericolosi;sostituzione di reazioni con
quelle meno pericolose;minimizzazione nell’uso di sostanze pericolose in diverse fasi di
processo;moderazione/uso di condizioni di processo meno
pericolose;semplificazione/progettazione che elimina non necessarie complessità e fa in
modo che errori operativi siano meno probabili)
I rischi chimici nella progettazione sono di particolare importanza pertanto s i affronteranno
principalmente loro.
Le reazioni pericolose sono quelle esotermiche con sviluppo di calore e se la velocità di
generazione del calore e’ superiore a quella di rimozione si puo’ ottenere un caso di
runaway.
Per esempio un aumento di 10 K spesso risulta con un aumento di 2 volte della velocità di
reazione e se il controllo del processo di raffreddamento e’ perso allora la temperatura puo’
rapidamente salire lasciando poco tempo per una azione correttiva.La alta temperatura puo’
poi innescare reazioni secondarie oppure decomposizioni pericolose.
Studi di incidenti dovuti a runaway mostrano che le principali cause sono:
1. errore nella miscelazione dei reagenti,come aggiunta di materiale sbagliati,oppure
errori nell’ordine di aggiunta,oppure errori nelle portate di aggiunta o omissioni di
aggiunta di reagenti
2. scarsa conoscenza del vero ammontare del calore di reazione,non conoscenza della
instabilità dei reagenti,intermedi,prodotti
3. mancanza nel controllo di temperatura,incorretto posizionamento di termocoppia;o
rottura sistema di raffreddamento
4. inadeguata agitazione,omesso avvio dell’agitatore,rottura del sistema di agitazione
5. manutenzione,modifiche non autorizzate,accumulo di residui,bloccaggi,perdite da
apparecchiature avviate in uno stato non corretto
6. scarso controllo della quantità delle materie prime reagenti,presenza di contaminanti
7. errori umani,procedure poco rispettate
8. effetti dovuti allo scale up(un particolare fattore nella progettazione è la non corretta
valutazione dell’effettivo calore eliminato quando si passa dalla scala di laboratorio
alla scala industriale. Il calore prodotto aumenta con il volume che è proporzionale al
cubo del diametro. Il calore rimosso dal fluido di raffreddamento dipende dalla
superficie disponibile allo scambio termico che è proporzionale al quadrato del
diametro. Come si fa il passaggio di scala e il rapporto volume/superficie aumenta il
sistema di raffreddamento diventa inadeguato.Per illustrare cio’ si consideri un
processo esotermico con calore di reazione di – 416 Kj/Kg e la reazione e ‘ condotta
in 1 ora con un sistema con camicia con una differenza di temperatura di 80 C.La
differenza tra scale laboratorio e scala impianto è data da:
calore perso laboratorio(100 ml) impianto (4500 litri)
2,3 0,04
velocita raffreddamento 520 9
aumento adiabatico temp 330 330
risultato non si evidenza l’esoterma possibile runaway)
E’ nelle prime fasi di progettazione che si fa sicurezza per esempio:
1. evitando reazioni altamente esotermiche
2. sostituendo processi batch con processi semi-batch(il controllo dell’accumulo di
materia prima aumenta la sicurezza)
3. reazione in acqua invece che in solventi organici pericolosi
4. uso di processi meno sensibili a variazioni operative
5. uso di catalizzatori che portano a condizioni operative meno pericolose e
permettono l’uso di minori quantità di reagenti o eliminano l’uso di solventi
pericolosi
6. uso di solventi che si comportano come heat sink;l’aggiunta di solventi
altobollenti puo’ prevenire che la massa di reazione raggiunge l’ebollizione e la
sovrapressione nel reattore
7. la previsione della reattività e stabilità dalla conoscenza della struttura
molecolare dei reagenti,il calcolo del calore di reazione puo’ essere stimato se si
conoscono i calori di formazione dei reagenti e dei prodotti
8. una volta conosciuto il calore di reaione DH si puo’ predire la massima
temperatura che puo’ raggiungere la massa reagente in condizioni adiabatiche
9. DTa=-DH/Cp
DTa=aumento adiabatico (K)
DH=Calore di reazione (KJ/Kg)
Cp=calore specifico della massa reagente(Kj/Kg/C)
Cosi’ la massima temperatura che il processo puo’ raggiungere e’ la somma tra DTa e la massima
temperatura del processo attesa.Questa somma è importante perche’ se la massima temperatura e’
sotto :
a)la temperatura di decomposizione
b)temperatura di ebollizione
c)sovrapressione
allora si puo’ pensare che il pericolo e’ ridotto a seguito della reazione esotermica nel reattore.
Conoscendo questi dati e’ possibile:
1. usare un sistema di raffreddamento che assicuri un processo sicuro anche nel caso di perdita
di controllo
2. installare un orifizio restrittivo per ridurre la portata di reagente in caso la valvola di
controllo fallisca
3. dimensionare il reattore in modo che la quantità dei reagenti è limitata in quantitativi di
sicurezza
Cosi e’ possibile rispondere a le domande seguenti per rendere un processo piu’ sicuro:
1. e’ possibile eliminare sostanze piu’ pericolose
2. e’ possibile sostituirle con quelle meno pericolose
3. sono stati minimizzati gli stoccaggi dei materiali soprattutto di sostanze pericolose
4. e’ possibile generare intermedi pericolosi in situ
5. e’ possibile usare sistemi di riscaldo o raffredamento in modo da limitare la massima
temperature o la minima temperatura raggiungibile per sistemi che contengono sostanze
instabili o che possono congelare a bassa temperatura
6. il reattore e’ progettato per resistere alla massima pressione
7. la progettazione del reattore ha previsto situazioni pericolose dovute ad errore umano
(hazop)
8. si puo’ utilizzare un processo semi-batch per ridurre l’accumulazione di reagenti e la
possibilità di runaway
9. il reattore è stato progettato per tenere conto della mancanza di raffreddamento
10. misure protettive(sistemi di emergenza,PSV,Venting,sistemi di crash coooling,inibizione
di reazione,quench tank,scrubber,linea di flusso di condensatori on line,pompare il
contenuto del reattore attraverso scambiatori esterni)
Un altro modo per migliorare la sicurezza del processo è la gestione manageriale cosi occorre
fornire agli addetti :
1. istruzioni di sicurezza del processo
2. procedure per i cambi di processo
3. procedure operative (sop)
4. procedure per la manutenzione
5. checklist per il controllo di processo
6. procedure di emergenza
7. proceure per l’ingresso in spazi confinati
8. procedure per riportare incidenti,infortuni,nera msisses,unsafe condition,un safe act
9. procedure per la corretta utilizzazione delle sostanze
10. procedure per la gestione dell’Housekeeping (5S)

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PROGETTAZIONE DI UN PROCESSO CHIMICO IN UN REATTORE

  • 1. PROGETTAZIONE DI UN PROCESSO CHIMICO IN UN REATTORE La valutazione dei rischi è un requisito del TU sulla sicurezza. La valutazione dei rischi è uno studio organizzato utilizzando i seguenti step: 1. individuazione dei pericoli 2. decisione su chi puo’ essere colpito e come 3. valutazione del rischio che sorge dal pericolo 4. decisione sulle precauzione da prendere,verifica se sono adeguate 5. registrazione dei risultati 6. revisione e valutazione nel tempo se necessario Ci sono principalmente 4 eventi che hanno potenziali impatti sulla sicurezza: a)incendi b)esplosioni c)rilascio di sostanze pericolose d)rilascio di sostanze corrosive Nella valutazione dei rischi bisogna valutare per esempio: a)incendio (miscelazione di sostanze incompatibili,agnizione a seguito spillamento o rilascio di infiammabili;attività pericolose come la saldatura;eventi esterni come fulmini;incendi da zone limitrofe) b)esplosioni(incendi,agnizione,reazioni esotermiche,aumento di pressione dovuto a generazione di gas) c)rilascio(errori umani,deficienze nel contenimento,impatti) Le precauzioni che bisogna implementare riguardano la progettazione ingegneristica.gli standard di installazione,le buone prassi operative,le procedure. Come detto il primo step è l’identificazione dei pericoli,i quali hanno origine da : 1. caratteristiche delle sostanze usate 2. caratteristiche dei parametri di processo e l’impianto stesso Si possono usare le seguenti misure per ridurre il rischio 1. misure passive(queste minimizzano il pericolo con la progettazione,riducono la frequenza o le conseguenze per esempio,firewalls,orifizi,sistemi per il controllo del flusso etc) 2. misure attive (safety interlock,emergency shutdown systems) 3. misure procedurali(sop,piani di emergenza,approccio manageriale per prevenire gli incidenti) 4. processi inerentemente sicuri (progettazione di processi inerentemente sicuri:sostituzione di materiali con alcuni meno pericolosi;sostituzione di reazioni con quelle meno pericolose;minimizzazione nell’uso di sostanze pericolose in diverse fasi di processo;moderazione/uso di condizioni di processo meno pericolose;semplificazione/progettazione che elimina non necessarie complessità e fa in modo che errori operativi siano meno probabili) I rischi chimici nella progettazione sono di particolare importanza pertanto s i affronteranno principalmente loro. Le reazioni pericolose sono quelle esotermiche con sviluppo di calore e se la velocità di generazione del calore e’ superiore a quella di rimozione si puo’ ottenere un caso di runaway. Per esempio un aumento di 10 K spesso risulta con un aumento di 2 volte della velocità di reazione e se il controllo del processo di raffreddamento e’ perso allora la temperatura puo’
  • 2. rapidamente salire lasciando poco tempo per una azione correttiva.La alta temperatura puo’ poi innescare reazioni secondarie oppure decomposizioni pericolose. Studi di incidenti dovuti a runaway mostrano che le principali cause sono: 1. errore nella miscelazione dei reagenti,come aggiunta di materiale sbagliati,oppure errori nell’ordine di aggiunta,oppure errori nelle portate di aggiunta o omissioni di aggiunta di reagenti 2. scarsa conoscenza del vero ammontare del calore di reazione,non conoscenza della instabilità dei reagenti,intermedi,prodotti 3. mancanza nel controllo di temperatura,incorretto posizionamento di termocoppia;o rottura sistema di raffreddamento 4. inadeguata agitazione,omesso avvio dell’agitatore,rottura del sistema di agitazione 5. manutenzione,modifiche non autorizzate,accumulo di residui,bloccaggi,perdite da apparecchiature avviate in uno stato non corretto 6. scarso controllo della quantità delle materie prime reagenti,presenza di contaminanti 7. errori umani,procedure poco rispettate 8. effetti dovuti allo scale up(un particolare fattore nella progettazione è la non corretta valutazione dell’effettivo calore eliminato quando si passa dalla scala di laboratorio alla scala industriale. Il calore prodotto aumenta con il volume che è proporzionale al cubo del diametro. Il calore rimosso dal fluido di raffreddamento dipende dalla superficie disponibile allo scambio termico che è proporzionale al quadrato del diametro. Come si fa il passaggio di scala e il rapporto volume/superficie aumenta il sistema di raffreddamento diventa inadeguato.Per illustrare cio’ si consideri un processo esotermico con calore di reazione di – 416 Kj/Kg e la reazione e ‘ condotta in 1 ora con un sistema con camicia con una differenza di temperatura di 80 C.La differenza tra scale laboratorio e scala impianto è data da: calore perso laboratorio(100 ml) impianto (4500 litri) 2,3 0,04 velocita raffreddamento 520 9 aumento adiabatico temp 330 330 risultato non si evidenza l’esoterma possibile runaway) E’ nelle prime fasi di progettazione che si fa sicurezza per esempio: 1. evitando reazioni altamente esotermiche 2. sostituendo processi batch con processi semi-batch(il controllo dell’accumulo di materia prima aumenta la sicurezza) 3. reazione in acqua invece che in solventi organici pericolosi 4. uso di processi meno sensibili a variazioni operative 5. uso di catalizzatori che portano a condizioni operative meno pericolose e permettono l’uso di minori quantità di reagenti o eliminano l’uso di solventi pericolosi 6. uso di solventi che si comportano come heat sink;l’aggiunta di solventi altobollenti puo’ prevenire che la massa di reazione raggiunge l’ebollizione e la sovrapressione nel reattore 7. la previsione della reattività e stabilità dalla conoscenza della struttura molecolare dei reagenti,il calcolo del calore di reazione puo’ essere stimato se si conoscono i calori di formazione dei reagenti e dei prodotti 8. una volta conosciuto il calore di reaione DH si puo’ predire la massima temperatura che puo’ raggiungere la massa reagente in condizioni adiabatiche 9. DTa=-DH/Cp
  • 3. DTa=aumento adiabatico (K) DH=Calore di reazione (KJ/Kg) Cp=calore specifico della massa reagente(Kj/Kg/C) Cosi’ la massima temperatura che il processo puo’ raggiungere e’ la somma tra DTa e la massima temperatura del processo attesa.Questa somma è importante perche’ se la massima temperatura e’ sotto : a)la temperatura di decomposizione b)temperatura di ebollizione c)sovrapressione allora si puo’ pensare che il pericolo e’ ridotto a seguito della reazione esotermica nel reattore. Conoscendo questi dati e’ possibile: 1. usare un sistema di raffreddamento che assicuri un processo sicuro anche nel caso di perdita di controllo 2. installare un orifizio restrittivo per ridurre la portata di reagente in caso la valvola di controllo fallisca 3. dimensionare il reattore in modo che la quantità dei reagenti è limitata in quantitativi di sicurezza Cosi e’ possibile rispondere a le domande seguenti per rendere un processo piu’ sicuro: 1. e’ possibile eliminare sostanze piu’ pericolose 2. e’ possibile sostituirle con quelle meno pericolose 3. sono stati minimizzati gli stoccaggi dei materiali soprattutto di sostanze pericolose 4. e’ possibile generare intermedi pericolosi in situ 5. e’ possibile usare sistemi di riscaldo o raffredamento in modo da limitare la massima temperature o la minima temperatura raggiungibile per sistemi che contengono sostanze instabili o che possono congelare a bassa temperatura 6. il reattore e’ progettato per resistere alla massima pressione 7. la progettazione del reattore ha previsto situazioni pericolose dovute ad errore umano (hazop) 8. si puo’ utilizzare un processo semi-batch per ridurre l’accumulazione di reagenti e la possibilità di runaway 9. il reattore è stato progettato per tenere conto della mancanza di raffreddamento 10. misure protettive(sistemi di emergenza,PSV,Venting,sistemi di crash coooling,inibizione di reazione,quench tank,scrubber,linea di flusso di condensatori on line,pompare il contenuto del reattore attraverso scambiatori esterni) Un altro modo per migliorare la sicurezza del processo è la gestione manageriale cosi occorre fornire agli addetti : 1. istruzioni di sicurezza del processo 2. procedure per i cambi di processo 3. procedure operative (sop) 4. procedure per la manutenzione 5. checklist per il controllo di processo 6. procedure di emergenza 7. proceure per l’ingresso in spazi confinati 8. procedure per riportare incidenti,infortuni,nera msisses,unsafe condition,un safe act 9. procedure per la corretta utilizzazione delle sostanze 10. procedure per la gestione dell’Housekeeping (5S)