Instalacje technologiczne w laboratorium chemicznym - reportaż

Omawiane laboratorium chemiczne zajmuje się działalnością naukową na potrzeby przemysłu związanego z branżą medyczną. Prowadzone tam badania pozwalają na wytwarzanie na skalę pół- przemysłową surowców niezbędnych do testów naukowych. Po kilku latach prowadzenia działalności w pomieszczeniach adaptowanych, inwestor zdecydował się na rozbudowę laboratorium oraz wprowadzenie zasadniczych zmian jakościowych w infrastrukturze obiektu.

Inwestor podjął decyzję o wykonaniu instalacji
zapewniającej właściwą czystość w klimatyzowanych
pomieszczeniach, komfort
cieplny pracowników oraz właściwe przewietrzanie
obiektu. Prowadzone w laboratorium
badania wymagają zastosowania substancji
organicznych jak: heksan, etanol, toluen, izopropanol
itp. Związki te, niezależnie od
szkodliwego wpływu na pracujących ludzi,
stanowią także zagrożenie wybuchowe.
Instalacja musiała więc być na tyle rozbudowana
by w normalnych warunkach pracy
zapewniać ok. 20 w/h, czyli ilość wymienianego
powietrza wynoszącą 5400 m³/h.


Fot. 1 Fragment centrali klimatyzacyjnej;
widoczny węzeł ciepła technologicznego z zaworem
regulacyjnym oraz chłodnica wraz z osprzętem
Klimatyzacja
Sercem instalacji jest blokowa centrala
Sercem instalacji jest blokowa centrala
PM-LUFT (fot. 1) zapewniającą trójstopniow
ą filtrację, odzysk ciepła, ogrzewanie,
chłodzenie wraz z osuszaniem oraz nawil-
żanie powietrza indywidualnie wytwarzaną
parą. Rozdział powietrza rozwiązano
nawiewnikami ściennymi z filtrami dok
ładnymi. Wywiew odbywa się kratkami
w dolnej i górnej części pomieszczenia.
Instalacja wywiewna została w całości
wykonana jako przeciwwybuchowa –
wprawdzie przy pracującej w trybie normalnym
klimatyzacji stężenie zanieczyszczeń
utrzymuje się znacznie poniżej granicy
wybuchowości, to jednak ze względu na
specyficzny charakter obiektu oraz trudną
do przewidzenia specyfikę dalszych badań,
inwestycja w bezpieczeństwo została uznana
za uzasadnioną. Dodatkowo inwestor we
własnym zakresie wyposażył laboratorium
w system detekcji gazów wybuchowych.
Sygnał o wystąpieniu stężenia uznanego za
niebezpieczne (ok. 25% granicy wybuchowości)
doprowadzony do rozdzielni zasilaj
ąco-sterowniczej klimatyzacji powoduje
przełączenie instalacji wyciągowej w tryb
intensywnego przewietrzania pomieszczeń
(ok. 9000 m³/h) oraz automatyczne
otwarcie otworów wyrównawczych w ścianie
zewnętrznej laboratorium. Otwory te
umożliwiają dopływ powietrza zewnętrznego
i wyrównanie ciśnień.
Źródłem chłodu dla klimatyzacji jest
agregat EMICON o wydajności 48 kW
współpracujący z chłodnicą powierzchniową w centrali klimatyzacyjnej, źródłem
ciepła natomiast – kotłownia wbudowana.
Automatyka została wykonana z wykorzystaniem
podzespołów REGIN oraz BELIMO.


Fot. 2 Stacja wytwarzania wody o parametrach 10/15°C
dla wyparek. Agregat EMICON MEE 91 współpracujący
z zasobnikiem chłodu i pompą cyrkulacyjną odbiorników

Odebranie ciepła z wyparek
(chłodnic) laboratoryjnych
Zagadnienie to było zbliżone do wielokrotnie
wykonywanych przez nasze przedsiębiorstwo
chłodniczych instalacji technologicznych
w obiektach przemysłowych. Woda
lodowa o parametrach 10/15oC, wytwarzana
w sprężarkowym agregacie chłodniczym
o wydajności 9 kW, przetłaczana jest do
zbiornika magazynowego. Stamtąd oddzielna
pompa podaje czynnik do odbiorników
zlokalizowanych w kilku pomieszczeniach
laboratoryjnych.



Instalacja pracuje jako
ciśnieniowa z zamkniętym naczyniem
przeponowym (schemat 1). Rurociągi wody
lodowej wykonano z miedzi (w technologii
lutowanej), z izolacją typu Armaflex. Istotnym
elementem przyjętego rozwiązania
jest wykorzystanie zasobnika chłodu jako
sprzęgła hydraulicznego. Pozwala to na dowolne
kształtowanie odbioru chłodu bez
zakłócania przepływu wody przez agregat
chłodniczy (fot. 2).


Fot. 3 Reaktor (50 litrów) wraz z osprzętem;
rurociągi w izolacji Rockwool (glikol +120°C)
i Armaflex (glikol -20°C)

Zasilenie reaktorów chemicznych
w chłód i ciepło
Zapewnienie dostawy ciepła i chłodu dla
procesów chemicznych okazało się trudnym
zadaniem. Procesy laboratoryjne prowadzone
są w tzw. reaktorach – naczyniach
szklanych o pojemnościach ok. 50÷100 litrów
(fot. 3). Dla zapewnienia właściwej
temperatury reakcji chemicznej płaszcz
reaktora może zostać wypełniony czynnikiem
grzewczym lub chłodzącym. Inwestor
zgłaszał konieczność doprowadzenia
do urządzeń czynnika o temperaturze regulowanej
w zakresie od –20 do +120oC.
Dodatkowym utrudnieniem były tu ograniczenia
wytrzymałościowe reaktorów wykonanych
ze szkła (przystosowane do nadciśnienia
nie większego niż 2 mH2O).

Schładzanie lub ogrzewanie płaszczy
Reaktorów
W przemyśle chemicznym procesy te realizuje
się, wykorzystując parę niskociśnieniową (ogrzewanie) oraz solankę (chłodzenie).
Media te są zamiennie wprowadzane do
płaszczy reaktorów. Dla niewielkiego laboratorium
uznaliśmy za bardziej praktyczne
stworzenie systemu, w którym ten sam nośnik
zapewni chłód i ciepło oraz pozwoli na
jednoczesne prowadzenie w sąsiadujących
reaktorach procesów gorących i zimnych. Ze
względu na wymagany zakres temperatury
nie było możliwe wykorzystanie wody jako
nośnika energii. Pracownicy laboratorium
zaproponowali zastosowanie czystego glikolu
propylenowego, który pozostaje płynny
w zakresie temperatury od – 40 do +180oC.
Schematy nr 2 i 3 przedstawiają instalację
glikolu gorącego oraz lodowego. Obydwie
instalacje zasilają 7 reaktorów,
a każdy z nich może być wykorzystywany
w trybie ogrzewania lub chłodzenia. Tu
także zastosowano rozwiązanie z zasobnikiem
chłodu/ciepła spełniającym jednocześnie
rolę sprzęgła hydraulicznego.
Sprzęgło było niezbędne ze względu na
zapewnienie stałego przepływu przez
źródła ciepła oraz chłodu dla zmiennych
przepływów przez odbiorniki. Pompy
obiegowe odbiorników zostały wyposażone
w przetwornice częstotliwości – użytkownik
może dostosować wydatek pomp
do liczby pracujących reaktorów.

Zabezpieczenie płaszczy reaktorów
Płaszcze trzeba było zabezpieczyć przed niekontrolowanym
wzrostem ciśnienia, który
mógłby spowodować pęknięcie delikatnych
struktur szklanych. Każda z instalacji jest stabilizowana
oddzielnym naczyniem wzbiorczym
systemu otwartego usytuowanym tak,
aby lustro glikolu znajdowało się około 1,8 m
powyżej poziomu reaktorów. Przełączając reaktory
z trybu pracy grzewczej na chłodniczą,
nie da się uniknąć przepływów pomiędzy instalacjami,
toteż naczynia wzbiorcze zostały
połączone. Pozwala to na utrzymanie stałych
ilości czynnika w każdej z instalacji.


Fot. 6 Naczynia: wzbiorcze
(niżej) i przelewowe

Zabezpieczenie instalacji glikolu
nisko- i wysokotemperaturowego
(fot. 6)
W pracy pomp obiegowych odbiorników
istotnym jest zapewnienie nadciśnienia
w płaszczach reaktorów nie większego niż
2 mH2O. Nadmierny przyrost ciśnienia
mógłby nastąpić w przypadku awarii przetwornicy
częstotliwości lub błędu operatora.
Każda z pomp odbiorników jest zaopatrzona
w manometr kontaktowy odcinający zasilanie
po przekroczeniu ciśnienia dopuszczalnego.
W typowych instalacjach wodnych
manometry kontaktowe czy zawory bezpieczeństwa
uznawane są za wystarczające sposoby
zabezpieczenia. W omawianych instalacjach,
w których przekroczenie ciśnienia
dopuszczalnego mogłoby spowodować
uszkodzenie reaktora i w konsekwencji
wyciek w laboratorium substancji wybuchowych,
uznano za celowe zastosowanie
dodatkowego zabezpieczenia niezależnego
od urządzeń mechanicznych. Po stronie
tłocznej pomp odbiorników zainstalowano
dodatkowe naczynia przelewowe. Poziom
przelewu usytuowano około 2,4 m ponad
poziomem reaktorów. Gdy zostanie przekroczone
ciśnienie dopuszczalne po stronie
tłocznej pomp, glikol wypełnia naczynie
przelewowe i odpływa przewodem bezpieczeństwa
do oddzielnego naczynia na
zewnątrz budynku. Doświadczenia przeprowadzane
przy uruchamianiu instalacji wykazały, że przyjęty sposób dwustopniowego
zabezpieczenia jest bardzo skuteczny.


Fot. 7 Rozdzielnia zasilająco-sterownicza instalacji


Automatyzacja pracy
Praca instalacji technologicznych jest
zautomatyzowana. Użytkownik może
określać zadaną wartość temperatury poszczególnych
czynników w sposób odpowiedni
dla prowadzonych procesów chemicznych.
Wartości utrzymywanej temperatury
mogą być rejestrowane, a następnie
archiwizowane w centralnej jednostce
komputerowej nadzorującej pracę
reaktorów chemicznych. Rozdzielnię zasilaj
ąco-sterowniczą wykonano na bazie
podzespołów Danfoss oraz Simex (fot. 7).
Wszystkie opisane instalacje zostały
zaprojektowane i wykonane przez
GEOCLIMA Sp. z o.o.
Oddano je do
eksploatacji latem 2001 roku.