بخشی از مقاله
بررسي سيستمهاي ايمني واحد شيرين سازي گازطبيعي
چکيده
فرآيندهاي جذب شيميايي با محلول آلکانول آمينها براي تصفيه جريانهاي گاز طبيعي و LPG که حاوي HS٢و CO٢ هستند، استفاده مي شود. گاز طبيعي بسيار آتشگير است و HS٢ موجود در آن بسيار سمي است . بعلاوه فرآيند شيرين سازي شامل فشارهاي بسيار بالا تا Psig١٠٠٠ (در برج تماس با آمين ) و دماهايي تا Fخ٢٤٠ (در برج احياء آمين ) است . تمام اين شرايط استفاده از لايه هاي ايمني قابل اطمينان را ديکته مي کند.
هر پلانت فرآيندي چندين لايه ايمني دارد که برخي براي جلوگيري از حادثه و برخي براي کاهش عواقب حادثه بکارمي روند . هر لايه بايد تا حد امکان ساده باشد و خرابي يکي نبايد مانع از ع ملکرد درست ديگري شود. سيستمهاي ايمني ابزاري (SIS١) عنواني است که در استانداردها به آنچه سابقا سيستمهاي ايمني يا Interlock ناميده ميشد، داده شده است و يکي از چندين لايه مستقل ايمني است . اگر سيستم کنترل اپراتور نتوانند عمل مناسب را براي جلوگيري از حادثه انجام دهند، SIS کنترل اوضاع را بدست مي گيرد. SIS شامل سه جزء اصلي است : سنسور، محاسبه گرمنطقي و عنصر کنترل نهايي که از سيستم اصلي کنترل کاملامستقل هستند. طراحي اين سيستم نياز به يک روش دقيق دارد که در استاندارد ISA S٨٤ ذکر شده است . هدف اين مقاله ه شناسايي لايه هاي ايمني و بررسي سيستمهاي ايمني واحدشيرين سازي گاز طبيعي است .
کلمات کليدي: ايمني، شيرين سازي، سيستمهاي ايمني، SIS
مقدمه
عملکرد هر فرآيند صنعتي بخصوص فرآيندهاي صنايع شيميايي و نفت و گاز ذاتا ريسکهايي را در بر دارد که عمدتا ناشي از نشت گاز يا مواد شيميايي خطرناک است . براي تـامين ايمنـي ، هـر پلانـت فراينـدي داراي چنـين لايـه ايمنـي مـستقل اسـت ( شکل ۱) که برخي وظيفه جلوگيري از مخاطرات را بر عهده دارند و برخي براي کاهش عواقب حادثه بکـار مـي رونـد(شـکل ۲). اين امر مبناي ساده اي دارد: تمام تخم مرغها را در يک سبد نگذار؛ همه چيز خراب مي شود فقط نمي دانيم چه وقـت . پـس هر چقدر لايه ها بيشتر باشند بهتر است . بعلاوه هر لايه بايد تا حدامکان ساده باشد و خرابي يکي نبايد مانع از عملکـرد صـحيح بقيه شود. اين روش به دفاع عمقي معروف است .
طراحي پلانت فرآيندي – در طراحي پلانت بايـد ايمنـي را مـدنظر داشـت . آناليزهـاي مخـاطرات , Check List ,...... Fault Tree,HAZOP) در اين مرحله انجام مي شوند.
يک پيشرفت عمده در صنايع فرآيندي طراحي پلانتهاي ذاتا ايمن است . يعني پلانت خطرناک را به اميد بکارگيري لايه هاي ايمني فراوان طراحي نکنيد؛ بگونه اي طراحي کنيد که به لايه هاي ايمني نيازي نباشد: فشار عملياتي پايين ، استفاده از مواد کم خطر، اجتناب از ذخيره سازي زياد و غيره . حذف يا کاهش مخاطرات عمدتا موجب ساده تر شدن طرح مي شود که اين امر خود کاهش ريسک را در پي دارد. اگر از ابزار حفاظتي براي کنترل مخاطرات استفاده کنيم فقط سيستم را پيچيده تر کرده ايم .
سيستمهاي کنترل فرايند- سيستمهاي پايـه اي کنتـرل فراينـد (BPCS) وظيفـه کنتـرل پلانـت باهـدف بهينـه سـازي مـصرف سوخت ، کنترل کيفيت محصول و کنترل متغيرهاي فرآيند مثل فشار، دما، سطح و دبي در محدوده ايمن ر ا بعهده دارند.
زنگ خطر و اپراتور- اگر سيستم کنترل فرآيند، به هر علتي ، نتواند وظيفه خود را انجام دهد از زنگ خطر استفاده مي شود تـا به اپراتور اطلاع دهد که دخالت او مورد نياز است . سيستمهاي زنگ خطر و نظارتي ٣ وظايف زير را بعهده دارند:
۱)مشکل را ره چه سريعتر شناسايي کنند: در سطحي که توان کاري کرد قبل از آنکه به شرايط مخاطره آميز برسيم .
۲) عملکرد آنها مستقل از دستگاهي باشد که وظيفه نظارت عملکرد آن را بعهده دارند يعني خرابي دسـتگاه مـانع از عملکـرد آنها نشوند.
۳) حداقل پيچيدگي ممکن را به سيستم اضافه کند.
۴) تمير، چک و کاليبره کردن آنها آسان باشد.
سيستمهاي زنگ خطر، و نظارت لايه اي را تشکيل مي دهند که پرسنل بطور فعـال در آن درگيـر مـي شـوند. اپراتورهـا هميـشه مورد نيازند چون نمي توان همه چيز را اتوماتيک کرده ، براي طراح غيرممکن است که هر حالتي را که ممکن است منجر به مخاطره شود پيش بيني کند. اپراتورها بايد وارد معادلات شوند چون در برخي از شرايط فقط آنها هستند که انعطاف پذيري و انطباق پذيري لازم براي حل مشکل را دارند.
سيستمهاي ايمني ابزاري ٤ (SIS)- اگر سيستم کنترل و اپراتورها نتوانند عمل مناسـب بـراي کنتـرل مخـاطره را انجـام دهنـد، سيستمهاي اتوماتيک معروف به SIS ,Interlock يـا سيـستمهاي ShutDown کنتـرل اوضـاع را بعهـده مـي گيرنـد. ايـن سيستمها کاملا مستقلند و سنسورها عناصر نهايي آنها، با سيستمهاي کنترلي مشترک نيست . اين سيـستمها بايـد سـطح اطمينـان پذيري ٥ و شناسايي خرابي ٦ بالايي داشته باشند، تمرکز اين تحقيق روي اين سيستمها است .
سيستمهاي آتش و گاز – اگر SIS نتواند از حادثه جلوگيري کند و حادثه اي رخ دهد، سيستمهاي آتش و گاز وظيفه کاهش عواقب و کنترل حادثه را بعهده دارند. در آمريکا بطور سنتي اين سيستمها فقط زنگ خطر هستند و عمل اتومـاتيکي را انجـام نمي دهند و اين بعهده تيم آتش نشاني است که آتش را خـاموش کننـد. در جاهـاي ديگـر ايـن سيـستمها نـوعي عمـل کنتـرل اتوماتيک را هم انجام مي دهند و شايد حتي با SIS پيوسته باشند.
سد نفوذ و محدودسازي - اگر قرار باشد يک تانک ذخيره سازي اتمسفريک بترکد بايـد محفظـه اي وجـود داشـته باشـد کـه محتويات ان را دربرگيرد.در نيروگاههاي هسته اي راکتور معمولا در يک ساختمان محدودکننـده قـرار دارد تـا جلـوي نفـوذ احتمالي را بگيرد، راکتور روس در چرنوبيل داراي هيچ محفظه اي نبود!
رويه تخليه – در صورت وقوع يک اتفاق خطرناک بايد پرسنل از محدوده حادثه تخليه شوند. اين فقط يک رويه است و سيستمي براي اين کار وجود ندارد ولي با اين حال يکي از لايه هاي ايمني محسوب مي شود.
سيستم شيرين سازي با دي اتانول آمين ( DEA )
سيستم تصفيه گاز با DEA ، سيستم شيرين سازي با قابليت احيا مي باشد که از DEA براي جداسازي HS٢ ، CO٢ از گـاز طبيعي تر ش استفاده مي شود. محلول DEA معمولا در غلظتهاي وزني ۳۵-۲۰% در برج جذب ، جـذب مـي شـوند و در فـشار پايين و دماي بالا در برج احيا آزاد مي شوند.
سيستم فرآورشي با DEA معمولا در گازهاي طبيعي که داراي ترکيبات سولفيد کربونيل يا دي سولفيدکربن مي باشند مـورد استفاده قرار مي گيرد. [۷]
شکل زير فرايند کلي جذب گازهاي اسيدي بوسيله آمين را نشان مي دهد:
۱-گاز ترش وارد برج مي شود و در تماس با محلول آمين که به طرف پايين جريان دارد به طرف بالا مي رود.
۲- گاز پالايش شده از بالاي برج خارج مي شود.
۳- محلول آمين غليظ که گازاسيدي را حمل مي کند برج را به مقصد مبدل حرارتي (يا Flash Tank اختيـاري ) تـرک مي کند.
۴ -آمين غليظ بوسيله آمين داغ رقيق در مبدل تا دماي o F ۲۰۰-۱۸۰ گرم مي شود.
۵-بوسيله حرارت بخار آب توليدي در جـوش آور آمـين غلـيظ در بـرج احيـا تـا o F ۲۴۰ گـرم مـي شـود. ايـن امـر باعـث آزادشدن گاز اسيدي مي شود. بخار آب گاز اسيدي رابا خود به بالا حمل مي کند.
۶-بخار آب و گازهاي اسيدي که از امين غليظ جدا شده اند در کندانسور بالاي برج احيا خنک مي شوند، در اينجا بخـار آب کندانس مي شود.
۷-در reflux accumulator ، آب از گازهاي اسيدي جدا مي شود و به عنوان رفلاکس به برج بازگردانده مي شود.
۸-آمين داغ احياءشد از پايين برج خارج مي شود و پس از عبور از خنک کننده هوايي دو مبدل حرارتي تـا دمـاي o F ۱۰۰-
۸۰ خنک شده و به برج جذب بازگردانده مي شود. [۵]
نشت مواد سمي
مخاطره بهداشتي ماده اي که در صنايع شيميايي بکار مي رود براي انسان ، تابعي از سميت ذاتي مـاده و مـدت زمـان تکـرر تماس با آن است . معمولا بين اثرات کوتاه مدت و طولاني مدت يک مـاده فـرق قائـل مـي شـوند. مـاده بـسيار سـمي کـه مصدوميت آني ايجاد کند بعنوان مخاطره ايمني ٧ شناخته مي شود. ماده اي کـه در صـورت کـم بـودن غلظـت در طـولاني مدت اثر خود را آشکار مي کند مخاطره صنعتي براي سلامتي و بهداشت ٨ شناخته مـي شـود. سـميت ذاتـي مـواد بـا تـست کردن روي حيوانات اندازه گيري مي شود. اثر کوتاه مدت بـا LD٥٠ نـشان داده مـي شـود و غلظتـي اسـت کـه در آن ۵۰ درصد از حيوانات آزمايشگاهي مي ميرند. حد غلظت براي طولاني مدت بوسيله TLV٩ بيان مي شود؛ TLV حـد بـالاي مجاز غلظت است که اگر انسان به مدت ۵ روز در هفته ، روزي ۸ ساعت در معرض آن باشد، خطري در پي ندارد.
مخاطرات آتش و انفجار
علاوه بر نشت مواد سمي ، آتش و انفجار دو اتفاق بسيار خطرناکي هستند که وقوع آنها در پلانتهاي شيميايي محتمل است . اين دو مخاطره علت اصلي تلفات جاني و مالي در صنايع شيميايي و نفت هستند. بنابراين پيشگيري و کنترل آنها بسيار مهم است .
براي وقوع يک آتش سوزي به سوخت ، اکسنده و منبع جرقه نياز داريم . بعلاوه واکنش احتراق بايد خود تـامين ١٠ باشـد، اگر اکسنده هوا است ، غلظت حداقلي از سوخت مورد نياز است براي آنکه شعله ايجاد شود. اين غلظت حداقل بـه دمـا و فشار وابسته است ولي نکته مهم ويژگي منبع جرقه مورد نياز در شرايط محيط است .
غلظت حداقل سوخت در هوا که براي ايجاد شعله در دماي محيط مورد نياز است به عنوان حـد پـاييني اشـتعال پـذيري ١١ ناميده مي شود. هر مخلوط هوا و سوخت پايين LFL رقيق تر از آن است که بسوزد. غلظتي که بالاتر از آن شعله تـشکيل نمي شود حد بالاي اشتعال پذيري ١٢ UFL نام دارد. بعلاوه غلظت اکسنده اي که بايد موجـود باشـد بـراي تـشکيل شـعله ، اندکس محدوديت اکسيژن ١٣ LOI نام دارد که معني متناسب با LFL دارد.
اگر غلظت سوخت در محدوده اشتعال باشد و دماي مخلوط به اندازه کافي بالا باشد. مخلوط شعله ور مي شود. دمايي کـه بدون وجود جرقه يا شعله ، آتش شروع مي شود دماي احتراق خودبخود١٤ AIT نام دارد.
آتش به چهار دسته طبقه بندي مي شود: کلاس A : سوختن جامدات عادي ، کلاس B: سوختن مايعات و گازهـا، کـلاس C: سوختن سوختهاي کلاس A يا B در معرض مدار زنده الکتريکي و کلاس D که فلزات را مصرف مي کند.
انفجار، آزادسازي انرژي بطور ناگهاني و معمولا با عواقب فاجعه بار اسـت . در بررسـي انفجـار يـک مخلـوط قابـل اشـتعال دو حالت مورد نظر است : Detonation ,Deflagration . در حالت اول واکنش شيميائي بـا سـرعت مـافوق صـوت منتـشر ميشود و منبع اصلي حرارت تراکم شک است .
درحالت دوم فرايند احتراق مثل احتراق عادي يک مخلوط قابل اشتعال است ، واکنش با سرعت کمتر از صوت منتشر ميشود وتجمع فشار کم است . حالت دوم معمول تر است مگر انکه گاز محدود شده باشد يا منبع جرقه بسيار قوي باشد . به هرحال موج فشاري ايجاد شده درحالت دوم هم ميتواند صدمات زيادي ايجاد کند .
دونوع خاص انفجار بيشتر در صنايع شيميائي در نظر است . اولي حالت مايع جوشان – بخارات منبسط شونده ١٥ (BLEVE)
است ودومي انفجار ابر بخارات نامحدود١٦ (UVCE) است .
درحالت اول حرارت دادن به تانک حاوي مايع جوشان موجب پارگي تانک ميشود . اين کاهش ناگهاني فشار موجب تبخير سريع همراه با نيروي انفجاري شديد ميشود .
در حالت دوم به علت تشت يک ماه قابل احتراق ، ابر بزرگي از گاز يا بخار ايجاد ميشود ، در صـورت وجـود جرقـه ايـن ابـر ميتواند Deflagrate شود وباسرعت عادي بسوزد يا اينکه سرعت سوختن ميتواند به حد Deflagriation برسد..
حال به بررسي لايه هاي ايمني يکي از unit operation ها بطور خاص مي پردازيم :
برج جذب (Amine Contactor):
گازهاي ترش خروجي از فيلتر به پائين برج جذب هدايت شده و در اين برج در تماس بـا آمـين DEA قـرار ميگيـرد(شـکل
۴-). برج جذب داراي ۲۰ سيني دوگذره براي عبور جريان مايع ميباشد. درجـه حـرارت گـاز و مـايع در سـيني هـاي مختلـف توسط نشانگرهاي دمـا در سـيني ۵، سـيني ۱۰و سـيني ۱۵ در اتـاق کنتـرل نـشان داده مـي شـود.افـت فـشار بـرج توسـط PDI
اندازه گيري و توسط PDR ثبت ميگردد و در صورت بالارفتن از نقطه تنظيم بصورت اعلام خطر توسط PDAH در اتـاق کنترل اعلام ميگردد(شکل -۵). فشار و سطح مايعات در قسمت پائين برج به ترتيب توسط PI ,LG در محل نشان داده شده و سطح مايعات در پائين برج نيز توسط کنترلر سطح LIC کنترل ميگردد(شکل -۷). سوئيچ سـطح خيلـي پـائين LSLLنيـز در صورت پائين امدن سطح مايعات پائين برج به پائين تر از حد مجاز سبب بستن واحد در شرايط اضطراري ميگردد(شکل - .(۸
دماي گازهاي خروجي از برج توسط TIدر محل و توسط TI ديگري در اتـاق فرمـان نـشان داده ميـشود.گازهـاي خروجـي سپس به ظرف مايع گير و پس از آن به فيلتر گاز خروجي هدايت ميشود.
ظرف مايع گيرمجهز به نمايشگر محلي سطح مايع LC، نشانگر فشار محلـي PI و اتـصال Steam Out ميباشـد(شـکل -۹).
امين همراه گاز در ظرف مايع گير که مجهز به غبارگير (Demister Pad) نيـز ميباشـد جمـع آوري شـده و توسـط کنترلـر سطح LCو شير تخليه مايعات LV به ظرف فلاش آمين منتقل مي شود(شکل -۹). در صورت بـالا امـدن سـطح مايعـات در ظرف که نمايانگر وضعيت غيرعادي برج جذب مي باشد سوئيچ سطح خيلي بالا LSHHفعال شده و سبب بستن واحد مـي گردد(شکل -۱۰). جهت جلوگيري از ازدياد فشار به دليل آتش سوزي در ظرف شيرهاي اطمينـان PSVپـيش بينـي گرديـده است (شکل -۱۰).
آمين کم بار توسط تلمبه هاي گردش آمين پس از عبور از کنترلر جريان FICو شير کنترل FV به بالاي برج جـذب هـدايت ميشود(شکل -۶). مقدار HS٢ آمين کم بار توسط آناليزر AT اندازه گيري شده و کنترلر مربوطـه AIC براسـاس مقـدار HS٢ اندازه گيري شده نقطه تنظيم کنترلرهاي جريان بخار اشباع بازجوش آورهاي برج احياء را تصحيح مي نمايد(شـکل - .(۱۱
