Tentamen Milieu Veiligheid en Maatschappij 4 april 2012, 9:00 12:00 uur Onderdeel Veiligheid en Milieu Vraag 1. Waterbesparing In een fabriek wordt een product gemaakt in drie achtereenvolgende processtappen. Water wordt gebruikt als oplosmiddel en reactie medium. De drie stappen vinden plaats bij verschillende temperaturen, waardoor het calciumgehalte in het water van belang is, omdat bij hogere temperatuur neerslag van CaCO 3 het product zou kunnen vervuilen. Om de proceskosten zo laag mogelijk te houden gebruikt de fabriek alleen grondwater, dat al 100 ppm Ca bevat. Bovendien voegen de drie processen ook nog Ca aan het water toe. De drie processen hebben daarom een maximale inlaatconcentratie en een maximale uitgangsconcentratie. Samenvattend kunnen de drie stromen als volgt worden samengevat: Stroom # Ca In,max (ppm) Ca Uit,max (ppm) Ca toegevoegd (kg.h -1 ) 1 100 300 8 2 200 800 18 3 700 1100 17 a. Teken de processen in een m C -C diagram en construeer de limiterende samengestelde water curve. b. Trek de minimale water toevoerlijn in hetzelfde diagram en bereken de minimale water toevoer. c. Indien de fabriek het water moet reinigen voor lozing, wat moet dan de capaciteit zijn van de waterreinigingsinstallatie? d. Ontwerp het waternetwerk voor de onder b) berekende minimale water consumptie. e. Op hetzelfde industrieterrein staat een fabriek met een hogere tolerantie voor Ca. Zij hebben behoefte aan 30 t.h -1 water met een maximale Ca concentratie van 500 ppm. Bereken de maximale hoeveelheid water die de eerste fabriek kan leveren aan deze fabriek. Uitwerking: a) en b) Zie tekening volgende bladzijde. Let op dat we starten met water van 100 ppm Ca. Daarom moet de minimale watertoevoerlijn ook starten vanuit (0,100). c) 2 punten Boven de pinch is nodig: (43000 11000) / (1100 300) = 40 t.h -1. Dus te reinigen: 40 t.h -1 met 1100 ppm Ca en 55 40 = 15 t.h -1 met 300 ppm Ca.
d) (Voor 3 bonuspunten). We maken een tussenreservoir op de pinch. Overwegingen: #1 alleen 100 ppm beschikbaar 40 t.h -1 #2 onder de pinch nodig (en precies wat over is): 15 t.h -1 (controle: 3000/(300-100) = 15 t.h -1 boven de pinch is de limiterende waterflow nodig: 30 t.h -1 (15000/(800-300)). #3 de resterende 10 t.h -1 van 300 ppm + 30 t.h -1 uit proces #2 geeft 40 t.h -1 van 675 ppm.
Controle: dit voldoet want 17000/(1100-675) = 40 t.h -1. We lenen 15 t.h -1 uit het tussenreservoir om proces #2 een constante flow van 30 t.h -1 te geven. Zonder tussenreservoir ziet het er nu als volgt uit: e) 3 punten Als we gebruik maken van de 15 t.h -1 met 300 ppm en we voegen daar 15 t.h -1 van 1100 ppm aan toe, dan komen we uit op 30 t.h -1 met 700 ppm. Dit is een te hoge concentratie. Er zal dus schoon water (of grondwater) moeten worden bijgemengd. Uitgaande van alle 15 t.h -1 met 300 ppm worden beide oplossingen goedgekeurd. 1. Als we mengen met grondwater: Neem y t.h -1 met 1100 ppm dan: (15 300) + (15 y) 100 + 1100 y = 30 500 y = 9 t.h -1 Dus leveren we: 15 t.h -1 van 300 ppm 9 t.h -1 van 1100 ppm en moet er 6 t.h -1 worden bijgemengd. 2. Op dezelfde manier: als we met schoon water mengen kunnen we bijna 10,5 t.h -1 met 1100 ppm leveren en moet er 4,5 t.h -1 worden bijgemengd.
Vraag 2: Veiligheid a. Geef definities van de begrippen gevaar (hazard) en risico (risk). Geef commentaar op de verschillen. Een gevaar is een fysische of chemische eigenschap (inherent), die de potentie heeft schade te berokkenen aan mensen, bezittingen of het milieu. Een risico is een maat voor economisch verlies, menselijk leed, of milieuschade, uitgedrukt in kans en ernst van een incident. kans: waarschijnlijkheid, frequentie ernst: gevolgen risico = f(effecten, kansen) Gevaar is een kwalitatief begrip, risico een kwantitatief begrip. Bij gevaar spreekt men van relatieve veiligheid: een proces kan gevaarlijker of veiliger zijn dan een alternatief proces. Risico kan men in getallen uitdrukken: een risico kan bijvoorbeeld 1 op 100000 zijn dat er een x aantal doden vallen. b. Om effecten tot gevolg te hebben is er behalve het bestaan van gevaar nog iets nodig. Hoe noemen we dit en hoe kan dit worden uitgedrukt? Geef aan hoe dit in relatie staat tot risico. Gebruik eventueel voorbeelden. We spreken naast gevaar en risico ook over blootstelling. Daarbij zijn van belang de intensiteit van blootstelling (bv. concentratie gevaarlijke stoffen, druk, warmte, etc) en de duur ervan (de tijd gedurende dat men er aan is blootgesteld). In een intensiteit tijd diagram kunnen de kansen op effecten worden aangegeven. Zie figuur. In de richting van grotere kansen en ernstiger effecten neemt het risico toe. c. Stel dat je een chemisch proces hebt ontwikkeld waarbij giftige grondstoffen worden gebruikt en een vluchtig en brandbaar oplosmiddel. Je kunt daaromheen een complex aan beschermingslagen opbouwen, maar je kunt ook proberen het proces zelf inherent veiliger te maken. Geef aan wat het fundamentele verschil is tussen deze twee aanpakken ten aanzien van de begrippen gebruikt in vraag a) en b). Bij het bouwen van een complex aan beschermingslagen blijft het gevaar nog steeds aanwezig. De kansen worden kleiner gemaakt en daardoor dalen de risico s. Bij het inherent veiliger maken van een proces, bijvoorbeeld door een brandbaar oplosmiddel te vervangen door een niet brandbaar oplosmiddel, wordt het gevaar zelf weggenomen.
Zo ook met blootstelling. In het eerste geval wordt de kans op blootstelling beperkt, in het tweede geval de blootstelling zelf geelimineerd omdat het gevaar is weggenomen. d. Plaats de volgende acties in volgorde van afnemend risico en geef aan waarom. Benoem de acties in termen van categorieën van risico management. 1. Als de temperatuur van een reactievat hoger wordt dan een vooraf ingestelde waarde, wordt automatisch de stoomtoevoer afgesloten. 2. Een brandbaar oplosmiddel wordt vervangen door water. 3. Een reactie vindt plaats in een vat dat bestand is tegen de maximale druk, die eventueel bij een runaway reactie zou kunnen ontstaan. 4. Bij het vullen van een voorraadvat stopt de operator de pomp als hij ziet dat het vat bijna vol is. 5. Als de druk in een bepaalde sectie boven een bepaalde gevaarlijke waarde uitstijgt, gaat er in de fabriek een alarm af. 6. Hoewel de optimale conversie wordt bereikt bij hogere p en T, wordt er toch voor gekozen bij lage p en T te werken, met als gevolg een hogere recycle. Acties 4 en 5 zijn procedureel. De mens moet reageren en een menselijke fout kan ernstige gevolgen hebben. Deze twee acties hebben het hoogste risico. Onderscheid tussen de twee is moeilijk te maken omdat dit afhangt van de effecten. Actie 1 is actief. De apparatuur kan eventueel falen. Actie 3 is passief. Er kan nog altijd een constructiefout in het vat zitten. Het gevaar is er nog steeds. Acties 2 en 6 zijn inherent en hebben het laagste risico. Het gevaar is immers weggenomen of belangrijk verminderd. e. Noem vier strategieën om een proces inherent veiliger te maken. Bij het toepassen van deze strategieën kunnen trade-offs optreden. Wat wordt hiermee bedoeld en geef enkele voorbeelden. 1. Minimaliseer (gebruik kleine hoeveelheden stoffen intensificatie) 2. Vervang (gevaarlijke stoffen door minder gevaarlijke stoffen) 3. Matig (minder gevaarlijke condities gebruiken attenuation) 4. Vereenvoudig (elimineer onnodige complexiteit error tolerance) Trade-off: Inruilen van opties, een voordeel voor het een kan een nadeel voor het ander zijn. Voorbeelden: Giftige stoffen vervangen door niet giftige stoffen die dan wel weer brandbaar zijn. Hierbij wissel je dus giftigheid in tegen brandbaarheid. Brandbare stoffen vervangen door niet brandbare stoffen, die dan vluchtig of giftig zijn, of die een hoge T en/of p vereisen voor het proces. Uit de praktijk: CFKs, superkritische processen.
Vraag 3: HAZOP De explosie die in december 2005 op een grote brandstofopslagplaats in Buncefield (UK) plaatsvond, was naar verluid tot in België en Nederland hoorbaar. De oorzaak bleek het onzorgvuldig vullen van één van de tanks, waarbij 300 ton benzine over de rand kon stromen. Het zorgvuldig uitvoeren van een HAZOP op het vulsysteem van een opslagtank zou in principe een dergelijk ongeval moeten kunnen voorkomen. In bijgaand flow diagram is een opslagtank voor benzine getekend (capaciteit 500 m 3 ). De tank wordt vanuit een tankauto gevuld met een debiet van 20 m 3 /uur. Vanuit de opslagtank wordt de vloeistof naar een proces verpompt. Het proces vraagt 5 m 3 /uur bij een druk van 5 barg (barg betekent gauge druk, druk ten opzichte van atmosfeer). De tank heeft een hoogte van 10 m en een diameter van 8 m. Een stikstof atmosfeer boven de vloeistof in de tank moet voorkomen dat er een explosieve atmosfeer in de tank kan ontstaan. De ontwerpdruk voor deze atmosfeer is -6 / +20 mbarg. De drukregeling van de stikstofatmosfeer houdt de druk tussen 3 en 10 mbarg door via de controlekleppen stikstof toe te voeren of gasmengsel af te voeren (na reiniging). De tank is verder voorzien van een niveaumeter met een hoog en laag niveau alarm. Voer een HAZOP uit voor de aangegeven nodes 1 en 2. Node 2 heeft betrekking op het vloeistofniveau en het gas boven de vloeistof in de tank. Gebruik voor node 1 de parameters flow en druk en voor node 2 de parameters druk en level. Gebruik geschikte guidewords. Presenteer je resultaten in tabelvorm en kies de vereiste kolommen. Vergeet niet de tabel een informatieve kop te geven. Indien de acties aanpassingen in het flow diagram vereisen, geef deze dan aan, eventueel op het diagram zelf (vergeet dan niet dit ook in te leveren). Kies uit de mogelijke guidewords: no (not, none), more (more of, higher), less (less of, lower), as well as (more than), part of, reverse, other than (other). Oplossing: Bijgaande tabel geeft een mogelijke oplossing, die niet pretendeert volledig te zijn. Het geeft wel de belangrijkste gevaren aan (lekkage of overlopen van benzine en explosiegevaar) en de belangrijkste maatregelen die in ieder geval genomen moeten worden (het installeren van een terugslagklep en een drukontlastklep of overdrukventiel op de tank).
Apparaat: Vulsysteem voorraadtank Intentie: Voorraadtank vullen Node: Node 1: Vulleiding Intentie: Verpompen van pomp naar tank Parameter: FLOW Guideword Afwijking Oorzaken Gevolgen Maatregelen / acties MORE >20 m 3 /h Niet waarschijnlijk, pomp zal op capaciteit zijn ontworpen Pomp uit of defect Tank wordt niet gevuld Tank controleren, overweeg periodiek onderhoud NO Geen flow Kraan in persleiding dicht Geen vulling Kraan controleren Toename druk in leiding Kraan in zuigleiding dicht Geen vulling Mogelijk schade aan pomp Kraan controleren Tankauto leeg Geen vulling Chauffeur zou dit moeten Schade aan pomp en tankauto opmerken Als NO FLOW Als boven, vullen duurt langer Als boven LESS < 20 m 3 /h (gedeeltelijk) Lekke pijp of slang of fout Benzine komt vrij Vullen stoppen! gekoppeld Explosiegevaar REVERSE Stroomt ander kant op Pomp om een of andere reden gestopt Benzine stroomt terug naar tankauto Terugslagklep installeren in persleiding AS WELL AS Andere stof naast benzine PART OF In dit geval gelijk aan LESS Verkeerde tankauto gekoppeld (niet waarschijnlijk) Vervuilde voorraad Als dit kan, dan geëigende koppelingen plaatsen Apparaat: Vulsysteem voorraadtank Intentie: Voorraadtank vullen Node: Node 1: Vulleiding Intentie: Verpompen van pomp naar tank Parameter: DRUK Guideword Afwijking Oorzaken Gevolgen Maatregelen / acties MORE Hoge druk in Leiding verstopt, niet leiding waarschijnlijk LESS Lage druk in Zie LESS/NO FLOW leiding
Apparaat: Vulsysteem voorraadtank Intentie: Voorraadtank vullen Node: Node 2: Niveau en gasdruk in tank Intentie: Binnen veiligheidsgrenzen blijven Parameter: DRUK Guideword Afwijking Oorzaken Gevolgen Maatregelen / acties Drukregelaar defect Gevaar voor scheuren van het Drukontlastklep of dak van de tank overdrukventiel MORE > 20 mbarg installeren, die werkt bij een lagere druk dan 20 mbarg, bv 15 mbarg Regelsysteem N 2 faalt Als boven Als boven LESS < -6 mbarg Geen N 2 toevoer Onderdruk waardoor tank ook zou kunnen falen Drukontlastklep laat inert gas binnen, bv bij -4 mbarg. Let op: geen lucht binnenlaten anders kan een explosief mengsel ontstaan Apparaat: Vulsysteem voorraadtank Intentie: Voorraadtank vullen Node: Node 2: Niveau en gasdruk in tank Intentie: Binnen veiligheidsgrenzen blijven Parameter: LEVEL Guideword Afwijking Oorzaken Gevolgen Maatregelen / acties MORE (HIGHER) Hoog vloeistof niveau Te snelle vulling t.o.v. verbruik Hoog niveau alarm faalt Gevaar voor overlopen Eventueel scheuren Explosiegevaar Overweeg een extra hoog niveau beveiliging (volgens ander principe) LESS (LOWER) Laag vloeistof niveau Te weinig aanvoer / te veel verbruik Laag niveau alarm faalt Mogelijke schade aan tank (ontstaan door onderdruk vanwege pomp naar proces) Overweeg pomp automatisch te stoppen bij laag niveau via een onafhankelijke beveiliging
Node 1 Node 2