Свойства, промышленное значение и классификационные характеристики аммиака. Анализ аварий, характерных для аммиака

1 Свойства, промышленное значение и классификационные характеристики аммиака. Анализ аварий, характерных для аммиака

 

В данном разделе дипломной работы представлены основные свойства аммиака, промышленное значение, области его применения и классификационные характеристики. Также проанализированы наиболее крупные аварии с выбросом (разливом) аммиака, имевшие место в мировой практике и в нашей стране. Выявлены типичные для предприятий, использующих, производящих или транспортирующих данное вещество, причины аварий.

 

1.1 Классификационные характеристики аммиака

 

АХОВ – опасное химическое вещество, применяемое в промышленности и сельском хозяйстве, при аварийном выбросе (разливе) которого может произойти заражение окружающей среды в поражающих живой организм концентрациях (токсодозах).

Токсическая доза – это  количество вредного вещества, вызывающее определенный токсический эффект.

В зависимости от давления P и температуры Т, вещество может находиться в различных агрегатных состояниях (рисунок 1.1)

 

А – тройная точка

В-критическая точка

1 – твердая фаза

2 – жидкость

3 – газ

4 – пар

Рисунок 1.1 – Диаграмма состояния вещества [5]

 

Участок кривой АВ представляет условия  равновесия двух фаз – жидкости и пара (линия насыщенного пара). Тройная точка А фиксирует  одновременное равновесие трех фаз. В критической точке В пропадает граница между жидкостью и паром. При T ≥ T_кр вещество находится в газообразном состоянии независимо от давления [5].

В зависимости от агрегатного  состояния в принятых условиях производства, хранения и транспортировки АХОВ делятся на:

– сжатые газы;

– сжиженные газы;

– жидкости;

– твердые вещества [2].

Сжиженный аммиак, находящийся  под сверхатмосферным давлением  при температуре выше или равной температуре окружающей среды в  сосудах, резервуарах и другом технологическом оборудовании, является перегретой жидкостью.

В зависимости от соотношения  критической температуры, температуры  внешней среды и условий хранения, все АХОВ делятся на 4 основные группы. Аммиак относится ко 2 группе.

Во 2 группу входят вещества, у которых критическая температура выше, а температура кипения ниже температуры окружающей среды. При разгерметизации емкостей с жидкостями данной категории процесс образования газовых облаков зависит от условий хранения АХОВ [27].

Если АХОВ хранятся в жидкой фазе в емкости под высоким давлением и при температуре выше температуры кипения, но ниже температуры окружающей среды, то при разгерметизации емкости часть АХОВ (10–40%) «мгновенно» испарится, образуя первичное облако паров АХОВ [2].

Если АХОВ хранятся в изотермических хранилищах при температуре хранения ниже температуры кипения, то в случае разгерметизации емкости первоначального испарения значительной части жидкости не наблюдается. В первичное облако переходит только 3–5% от общего количества АХОВ. Оставшаяся часть жидкости перейдет в режим стационарного кипения. Наиболее опасные поражающие факторы в данном случае – вторичное облако паров АХОВ, переохлаждение, а в некоторых случаях – пожары и взрывы [4].

В соответствии с классификацией холодильных агентов по степени опасности воспламеняемости и взрывоопасности смесей с воздухом [21], аммиак относится ко 2 группе. К этой группе относят токсичные холодильные агенты. Несколько хладагентов этой группы являются также воспламеняемыми, но с нижней границей воспламеняемости, равной или выше 3,5% по объему, что требует надлежащих дополнительных ограничений.

Аммиак – единственный холодильный агент этой группы, который широко применяется в холодильной промышленности. У него есть преимущество: он благодаря своему резкому запаху сигнализирует об утечке даже при концентрации гораздо более низкой, чем уровень концентрации, представляющий опасность.

Вредные химические вещества по степени токсичности подразделяют на четыре класса:

I класс – чрезвычайно токсичные;

II класс – высокотоксичные;

III класс – умеренно-токсичные;

IV класс – малотоксичные вещества.

Аммиак относится к группе малотоксичных веществ (IV группа). Классификация установлена в зависимости от величины ПДК АХОВ (Таблица П. 4.1).

По преимущественному  синдрому, складывающемуся при острой интоксикации, аммиак относится к пятой группе АХОВ удушающего нейротропного воздействия. Вещества этой группы вызывают токсический отек легких на фоне которого формируется тяжелое поражение нервной системы (Таблица П. 4.2).

По способности к  горению, жидкий аммиак относится к  группе трудногорючих веществ, а  газообразный – к группе горючих  веществ (Таблица П. 4.4). Аммиак является воспламеняющимся лишь в очень ограниченном диапазоне концентраций. При повышении температуры воспламеняемость аммиака увеличивается.

 

1.2 Основные  свойства аммиака

 

Основные свойства аммиака  определяются его физико-химическим характеристиками и токсичным действием на организм человека.

 

1.2.1 Токсические  свойства аммиака

Токсичность – способность  вредного вещества вызывать нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций (заболевания), а при тяжелых поражениях – его гибель [11].

Механизм токсического действия АХОВ и, в частности, аммиака, заключается в следующем. Внутри человеческого организма, а также между ним и внешней средой, происходит интенсивный обмен веществ. Наиболее важная роль в этом обмене принадлежит ферментам – химическим (биохимическим) веществам или соединениям, способным управлять химическими и биологическими реакциями в организме. Токсичность АХОВ заключается в химическом взаимодействии с ферментами, которое приводит к торможению или прекращению ряда жизненных функций организма. Полное подавление тех или иных ферментных систем вызывает общее поражение организма, а в некоторых случаях его гибель [4].

Для оценки токсичности  АХОВ используют ряд характеристик, основными из которых являются: концентрация и токсическая доза.

Концентрация – количество вещества (АХОВ) в единице объема, массы.

Предельно допустимая концентрация – концентрация вредного вещества в воздухе, которая при ежедневной работе в течение 8 часов в день (41 часа в неделю) за время всего стажа работы не может вызвать заболеваний или отклонений состояния здоровья работающих, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений [24].

Пороговая концентрация – это минимальная концентрация, которая может вызвать ощутимый физиологический эффект. При этом пораженные ощущают лишь первичные признаки поражения и сохраняют работоспособность.

Средняя смертельная концентрация в воздухе – концентрация вещества в воздухе, вызывающая гибель 50% пораженных при двухчасовом ингаляционном воздействии.

Для характеристики токсичности веществ (при их попадании в организм человека ингаляционным путем) выделяют следующие токсодозы:

– средняя смертельная концентрация (LCt₅₀) – приводит к смертельному исходу 50% пораженных;

– средняя выводящая из строя концентрация (ICt₅₀) обеспечивает вывод из строя 50% пораженных;

– средняя пороговая концентрация (PCt₅₀) – вызывает начальные симптомы поражения у 50% пораженных (г·мин/м³);

– средняя смертельная доза (LDt₅₀) при введении в желудок – приводит к гибели 50% пораженыых при однократном введении в желудок (мг/кг).

Для оценки степени токсичности  АХОВ кожно-резорбтивного действия используют значения средней смертельной  токсодозы (LDt₅₀), и средней пороговой токсодозы (PDt₅₀). Единицы измерения – г/чел., мг/чел., мл/кг.

Средняя смертельная  доза при однократном нанесении на кожу приводит к гибели 50% пораженных [4, 24].

 

 

1.2.2 Физико-химические свойства аммиака

При оценке потенциальной  опасности химических веществ необходимо принимать во внимание не только токсические, но и физико-химические свойства, характеризующие их поведение в атмосфере, на местности и в воде. В частности, важнейшим физическим параметром, определяющим характер поведения токсичных веществ ингаляционного действия при выбросах (проливах), является максимальная концентрация его паров в воздухе. В промышленной токсикологии используют показатель, учитывающий одновременно токсические свойства и летучесть веществ – коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО) [2]. Этот коэффициент равен отношению максимально возможной концентрации паров вещества при 20⁰С к его смертельной концентрации (Таблица П. 4.1)

По некоторым своим  свойствам (точка кипения -33 °С, критическая температура -132 °С) аммиак похож на хлор. Так же как и хлор, аммиак удобно хранить в сжиженном виде. Зависимости давление паров – температура и доля мгновенно испаряющейся жидкости в адиабатическом приближении температура для аммиака и для хлора весьма близки. Однако аммиак в основном перевозится в виде охлажденной жидкости (в рефрижераторах). Отметим, что в США существуют трубопроводы, по которым аммиак транспортируется через всю страну [5].

 

1.3 Промышленное  значение аммиака и области  его применения

 

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест. Ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак используется для производства азотной кислоты (HNO₃), которая идет на производство удобрений и множества других продуктов; азотсодержащих солей [(NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃, NaNO₃, Ca(NO₃)₂], мочевины, синильной кислоты [11].

Аммиак используется также при получении соды по аммиачному способу, в органическом синтезе, для приготовления водных растворов (нашатырный спирт), находящих разнообразное применение в химической промышленности и в медицине. Жидкий аммиак, а также его водные растворы применяют в качестве жидких удобрений. Аммиак представляет собой хороший растворитель для значительного класса соединений, содержащих азот. Большие количества аммиака идут на аммонизацию суперфосфата.

Испарение аммиака происходит с поглощением значительно количества тепла из окружающей среды. Поэтому аммиак применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках. При этом жидкий аммиак должен соответствовать требованиям, предъявляемым ГОСТ 6221 – 90 «Аммиак жидкий технический». В качестве хладагента используется жидкий технический аммиак марки А. При этом содержание воды не должно превышать 0,1%.

Аммиак используется также для получения синтетических  волокон, например, нейлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка. В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость [5].

 

 

1.4 Общие правила устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок

 

1.4.1 Общие понятия о холодильных установках

Холодильная система  – совокупность содержащих хладагент и сообщающихся между собой частей, образующих один закрытый холодильный контур для циркуляции хладагента с целью подвода и отвода тепла.

Холодильная установка  – агрегаты, узлы и другие составные части холодильной системы и вся аппаратура, необходимая для их функционирования.

Абсорбционная (или адсорбционная) холодильная система – система, в которой выработка холода осуществляется в результате испарения хладагента; абсорбер (адсорбер) поглощает пары хладагента, которые впоследствии выделяются из него при нагреве с повышением парциального давления и затем под этим давлением конденсируются при охлаждении.

Холодильный агент (хладагент) – используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при низких значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких значениях температуры и давления. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды.

Хладоноситель – любая жидкость, используемая для передачи тепла без изменения ее агрегатного состояния [21].

 

1.4.2 Требования  к аппаратурному оформлению холодильных  установок

1. В холодильной установке должны быть предусмотрены аппараты, предотвращающие попадание капель жидкого аммиака во всасывающую полость компрессоров.
2. Блок испарителя для охлаждения хладоносителя должен включать в себя устройство для отделения капель жидкости из парожидкостной аммиачной смеси и возврата отделенной жидкости в испаритель.
3. Для отделения жидкой фазы из перемещаемой парожидкостной смеси в холодильных системах с непосредственным охлаждением, на каждую температуру кипения предусматриваются циркуляционные (или защитные) ресиверы, совмещающие функции отделителя жидкости. Допускается предусматривать для этих целей отдельные отделители жидкости, соединенные трубопроводами с циркуляционными (защитными) ресиверами, не совмещающими функции отделителя жидкости.
4. Геометрический объем циркуляционных ресиверов со стояком, совмещающих функции отделителя жидкости, для каждой температуры кипения в насосных схемах с нижней и верхней подачей аммиака в охлаждающие устройства следует рассчитывать по формулам, приведенным в [27].
5. Для аварийного (ремонтного) освобождения от жидкого аммиака охлаждающих устройств, аппаратов, сосудов и блоков, а также для удаления конденсата при оттаивании охлаждающих устройств горячими парами, необходимо предусматривать дренажный ресивер, рассчитанный на прием аммиака из наиболее аммиакоемкого аппарата, сосуда или блока.
6. Геометрический объем дренажного ресивера следует принимать из условия заполнения его не более чем на 80%.
7. Геометрический объем линейных ресиверов холодильных установок следует принимать не более 30% суммарного геометрического объема охлаждающих устройств помещений, аммиачной части технологических аппаратов и испарителей.
8. Для холодильных машин с дозированной зарядкой аммиака линейный ресивер не предусматривается.
9. Допускается предусматривать дополнительные линейные ресиверы для хранения годового запаса аммиака. При этом ресиверы не должны заполняться более 80% их геометрического объема.
10. Не допускается использовать в холодильных установках линейные ресиверы (неунифицированные) в качестве защитных, дренажных или циркуляционных, а кожухотрубные испарители в качестве конденсаторов и наоборот.
11. При подаче паров аммиака со стороны высокого давления к сосудам (аппаратам) на стороне низкого давления для освобождения их от жидкого аммиака и очистки от масла, давление в этих сосудах (аппаратах) не должно превышать давления испытания на плотность в соответствии с [21,27].
12. Воздух и другие неконденсирующиеся газы должны выпускаться из системы в сосуд с водой через специально устанавливаемый аппарат – воздухоотделитель.