ПЕРВЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ОПАСНОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

2.1. ПЕРВЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ОПАСНОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Городские пожары случались еще до начала нашей эры, и многие старейшие города мира, такие, как Лондон или Москва, уничтожались огнем полностью или частично по нескольку раз за свою историю (см., например, [Nash,1976; Борисенков,1983]).

Одно из ранних свидетельств о пожаре на химическом производстве относится к 1579 г. - предприятие сгорело дотла из-за того, что из бутыли разлилась азотная кислота. Первая в истории крупная авария с пожаром углеводородных газов произошла 20 октября 1944 г. в Кливленде (шт. Огайо, США), когда утечка сжиженного природного газа (СПГ) привела к гибели 130 человек и значительному материальному ущербу [АСМН.1979]. Первой крупной аварией, связанной с сжиженным нефтяным газом (СНГ), была, вероятно, авария 28 июля 1959 г. в Мер длине (шт. Джорджия, США); при этом погибли 23 человека [АСМНД979].

2.1.2. ВЗРЫВЫ

Случайные взрывы черного пороха (который после изобретения огнестрельного оружия стал называться оружейным порохом) случались, вероятно, уже во времена его появления (X-XI вв.). Таким образом, приводимые далее примеры не являются первыми происшествиями - просто сведения о них встречаются в литературе.

Например, король Шотландии Яков Второй был убит при разрыве пушки в 1460 г. в Роксбурге. В 1645 г. взрыв черного пороха разрушил треть города Бостон и лишил жизни трех человек (этот случай - самый ранний из приводимых в книге [Nash,1976]). В работе [Biasutti,1985] содержатся данные о взрыве в 1769 г. в Брешиа (Италия) 85 т черного пороха, который разрушил 190 домов. Этих примеров, вероятно, достаточно, чтобы говорить о возникновении нового, обусловленного появлением пороха явления - химического взрыва. Новые изобретения XIX в. ввели в обращение более мощные, чем дымный порох, взрывчатые вещества.

Первый описанный несчастный случай со взрывчатым веществом нового поколения произошел в 1864 г. в Хеленбурге (Швеция). Здесь погибло пять человек, одним из них был Эмиль Нобель - брат изобретателя динамита [Biasutti,1985].

Ряд крупных аварий произошел вследствие взрывов нитрата аммония -высокочувствительного взрывчатого вещества, используемого главным образом для производства удобрений. В работе [С1апсе,1963] перечисляется 16 подобных случаев, первый взрыв 7 кг этого вещества случился в 1896 г. в Лондоне.

Газовые взрывы должны были последовать сразу после открытия Мэрдоком каменноугольного газа (1795 г.), однако сведения по этому вопросу чрезвычайно скудны. Например, в работе [Nash,1976] нет ни одного примера, который можно с уверенностью отнести к ранним случаям газовых взрывов. В книге [Hake,1892] отмечается: "... облака паров нефти и других летучих углеводородов так же, как и пылевоздушные смеси, взрывались на складах и в хранилищах и даже на открытом воздухе..."

Первым случаем взрыва парового облака (физика этого явления рассматривается в гл. 12) была авария 29 июля 1943 г. в Людвигсхафене (Германия). Сведения о ней весьма скудны из-за цензуры военного времени и содержатся в основном в работе [Stahl,1949]. Взрывоопасность пылевоздушных смесей была осознана не сразу. В работе [Palmer, 1973] дается информация о взрыве на мукомольной мельнице в 1785 г. в Турине (Италия). По данным Национальной ассоциации пожарной защиты (NFPA) за период 1860 - 1956гг. в США и Канаде имели место 1120 крупных взрывов пылевоздушных смесей.

2.1.3. ТОКСИЧЕСКИЕ ВЫБРОСЫ

Известно, что еще в 429 г. до н. э. при осаде города была использована смесь смолы и серы, послужившая источником возникновения облака диоксида серы. Других упоминаний о крупных токсических выбросах до первой мировой войны, видимо, нет. Хотя газовая атака германских войск 22 апреля 1915 г. при Ипре (Франция), стоившая жизни 5 тысячам военнослужащих, была военным мероприятием и не может быть напрямую сравнена с промышленными выбросами, она продемонстрировала потенциальную опасность хлора.

Первый крупный зафиксированный промышленный выброс хлора произошел в 1917г. в Уайандотте (шт. Мичиган, США), когда утечка 17т газа привела к смерти одного человека [АСМН, 1979].

2.2. РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Промышленные предприятия могут быть двух различных типов: обрабатывающие и перерабатывающие. К обрабатывающей промышленности могут быть отнесены такие производства, в которых ведется работа с изделиями определенной формы и размера, а производственные операции заключаются в изменении формы частей и/или их сборке. Примерами промышленных предприятий обрабатывающих отраслей являются ткацкая фабрика или автосборочный цех.

К перерабатывающей промышленности могут быть отнесены такие виды производства, в которых конечными продуктами являются газы и жидкости, а также некоторые твердые вещества - исходные продукты для обрабатывающей промышленности. Примерами промышленных предприятий перерабатывающих отраслей являются заводы, выпускающие газ в баллонах, серную кислоту и найлоновую крошку.

Согласно другому определению, к перерабатывающей промышленности относятся те производства, где происходит изменение физического и/или химического состояния вещества. Строго говоря, перерабатывающая промышленность - это промышленность химическая, однако термин "перерабатывающая промышленность" далее будет применен и к тем отраслям, которые традиционно к химической промышленности не относят (например, переработка нефти).

В данной книге автор, сообразуясь с поставленными целями, не рассматривает добывающие отрасли, такие, как добыча угля (угольная промышленность), сжигание топлив для получения пара (энергетика), плавление металлов (металлургия).^* Изготовление и переработка топливных элементов в ядерной энергетике относится к отраслям перерабатывающей промышленности, однако в данной книге это не нашло отражения, поскольку в ней не затрагиваются проблемы опасностей, связанных с радиоактивностью.

Наиболее важной и характерной чертой как химической, так и перерабатывающей промышленности является, вероятно, то, что увеличение выпуска продукции может быть достигнуто при желании "масштабированием" (интенсификацией), тогда как в обрабатывающей промышленности аналогичные задачи решаются путем увеличения количества производственных единиц. Это свойство перерабатывающих отраслей далее будет обсуждаться подробно. Оно является решающим в проблеме основных опасностей химических производств.

2.2.2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

2.2.2.1. РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Темпы роста химической и нефтеперерабатывающей промышленности во всем мире за последние три десятилетия были выше, чем в промышленности в целом. В Западной Европе, однако, они заметно уменьшились в последние годы.

Несмотря на громадный рост химической промышленности в Северной Америке, европейская промышленность производит на сегодняшний день свыше половины мировой химической продукции [Telfer,1980]. И переработка нефти, имеющая дело с сырой нефтью и дающая топливо и нефтехимические продукты, и газовая промышленность, извлекающая и распределяющая природный газ, претерпели в Европе (включая и Восточную Европу) перестройку, ничуть не меньшую, чем в Северной Америке. Такая типичная для промышленной инфраструктуры Северной Америки особенность, как наличие грандиозной сети трубопроводов для перемещения жидких и газообразных углеводородов, присуща и всей Европе, хотя более характерна для СССР и Восточной Европы.

Представляется целесообразным выделить четыре этапа развития химической промышленности.

2.2.2.2. СТАНОВЛЕНИЕ

Первая фаза приходится на конец XVIII и начало XIX вв. Бурный рост текстильной промышленности обусловил необходимость в моющих средствах, отбеливающих веществах, продуктах для травления и красителях. Эти потребности удовлетворялись неорганическими продуктами, такими, как серная кислота, диоксид серы, сульфат натрия, сода и хлор. Одновременно росло и производство каменноугольного газа, который, однако, не стал сырьем для получения химических продуктов, несмотря на органическое происхождение; каменноугольная смола продолжала оставаться нежелательным и трудным для утилизации побочным продуктом. Проблемы производства каменноугольного газа были во многом схожи с проблемами родственной отрасли - производства кокса. Каменноугольный, коксовый и другие топливные газы XIX в. были высокотоксичны - они содержали от 4 до 40% СО.

Взрывы паровых котлов стали обычным явлением для промышленности, поскольку в сущности на каждом предприятии для обеспечения энергией и теплом имелись котельные. Используемые жаротрубные паровые котлы часто не оснащались предохранительными клапанами и даже примитивной аварийной сигнализацией. Водоподготовка была примитивной, поэтому паровые котлы быстро покрывались накипью. Рабочее давление в паровых котлах тех времен было, однако, значительно меньше, чем в современных аппаратах.

На этом этапе происходило много несчастных случаев. Сочетание безжалостной конкурентной борьбы, политики невмешательства со стороны властей и полного невежества приводили к самым серьезным нарушениям при эксплуатации. Загрязнялись вода, воздух и земля; на здоровье персонала не обращали внимания. В конце концов появилась настоятельная необходимость в законодательных мерах. Принятый в Великобритании в 1863 г. закон о щелочных производствах регулировал главным образом загрязнение атмосферы, связанное с использованием процесса Леблана. Только в Южном Ланкашире ежедневно в атмосферу выбрасывалось до десятков тонн соляной кислоты. Заболевания, связанные с производством, были признаны профессиональными и стали предметом законодательного регулирования. Появился закон об использовании паровых котлов, страховые компании включили их в сферу своих интересов.

Но основные опасности химических производств, как мы их понимаем сейчас, практически не проявлялись, если не считать нескольких случаев, связанных с изготовлением и хранением взрывчатых веществ. Причины такого положения заключались в малых масштабах производств и использовании низких давлений на химических предприятиях того периода.

2.2.2.3. ЭПОХА УГЛЯ

Второй этап развития химической промышленности также обусловлен расширением производства текстиля. Растительные красители не удовлетворяли растущих потребностей, и открытие первого анилинового красителя Перкином в 1856 г. дало толчок рождению анилиновой промышленности (главным образом в Германии). Основным сырьем ее стала каменноугольная смола, до сих пор считавшаяся помехой, а теперь превратившаяся в сырьевой источник для получения сотен различных органических продуктов. В результате обострилась потребность в азотной кислоте, ибо промышленное получение анилина и его производных основывалось на реакции восстановления нитробензола и других ароматических соединений азота.

Отказ от употребления черного пороха как взрывчатого вещества для военных целей, за исключением особых случаев, связан со значительными успехами химической промышленности в XIX в.: в середине века были открыты нитроглицерин и нитроцеллюлоза, а в 1862 г. Нобель изобрел динамит. Эти открытия обусловили многочисленные взрывы, которые обсуждаются в гл. 10.

Все вышеперечисленные разработки сформировали значительные потребности в азотной кислоте и поставили проблему "связывания азота". Именно решение этой проблемы, обостренной приближающимся истощением запасов чилийской селитры, может считаться началом третьей фазы в развитии химической промышленности.

2.2.2.4. СВЯЗЫВАНИЕ АЗОТА

Третий период развития химической промышленности начался до первой мировой войны с коммерческого успеха производства аммиака в процессе Хабера - Боша. Необходимо подчеркнуть, что в этой технологии впервые в мировой практике химия по существу потребовала серьезного инженерного обеспечения: процесс велся при высокой температуре (свыше 500 °С) и высоком давлении (10 - 25 МПа). Любопытно сравнение технологического оборудования этого процесса, использованного на Баденских анилино-содовых предприятиях (BASF) в Людвигсхафене (Германия), с установками, описанными в "Руководстве по химической технологии" [Davis,1901]. Большинство приводимых в книге образцов изготовлено плотниками или кузнецами; они выглядели бы совершенно естественно на дворе фермы, хотя и были новейшими достижениями химической технологии XIX в.

Именно в этой новой и мощной промышленности произошло событие, которое можно считать началом эры основных опасностей химических производств. Этим событием стала авария 21 сентября 1921 г. в Оппау (Германия), когда взорвалось около 4000 т нитрата аммония и погибло свыше 500 человек. Место аварии никоим образом нельзя рассматривать как склад боеприпасов, ибо нитрат аммония использовался при производстве удобрений. Следует, однако, отметить, что во время первой мировой войны произошло 17 случаев взрывов боеприпасов на заводах и складах Европы, в отдельных инцидентах число погибших превосходило тысячу.

Каковы характерные признаки этого третьего этапа развития химической промышленности? Во-первых, мощность химических предприятий возрастала, и для периодических, а особенно для непрерывных, производств ограничения сверху на объем выпуска продукции не были существенны. Во-вторых, было осознано значение нефти для переработки, хотя в начале нефть не считалась сырьем для химической промышленности. В значительной степени это осознание объясняется быстрым ростом производства автомобилей, особенно в США, где Форд в 1908 г. начал выпускать "Модель Т". Потребность в моторных топливах возрастала, и химия откликнулась на нее открытием процессов крекинга и риформинга. Это были достижения чрезвычайной важности - они сняли в нефтепереработке ограничения на качество сырой нефти и сделали возможным получение легких фракций из тяжелых углеводородов. Позднее они же определили облик современной нефтехимической промышленности.

Наиболее серьезные аварии в химической промышленности за период между двумя мировыми войнами связаны (за исключением катастрофы в Оппау) с хлором. Сегодня "послужной список" хлорной промышленности выглядит значительно лучше как в США, так и в Европе.

2.2.2.5. ЭПОХА НЕФТИ

Четвертый этап развития химического производства приходится на послевоенный период; он характеризуется чрезвычайно быстрым развитием нефтехимии и особенно технологии обращения со сжиженными газами.

Нефтехимическая промышленность возникла в 30-е годы нашего столетия, когда исследователи в разных странах мира доказали возможность производства алкенов из нефтяных газов [Ruhemann,1949]. Обозначилась тенденция отхода от угля как основного сырья химической промышленности. Особую позицию в 30-е годы заняла Германия, для которой отсутствие собственной нефти и осознание необходимости быть готовой к блокаде во время войны определили направление исследований в этом важнейшем для химической промышленности вопросе с целью получения нефти из угля.

Размах операций с химическими продуктами стал весьма значительным за последние три десятилетия, включая и транспортировку - морскую, автомобильную, железнодорожную, трубопроводную - как сырой, нефти, так и продуктов ее переработки. Число площадок размещения и транспортных единиц, на которых оказались сконцентрированными углеводородные топлива в количествах, достаточных для возникновения крупных пожаров и взрывов в случае потери герметичности системы хранения, возросло очень сильно. Хотя большинство аварий, связанных со сжиженными газами, произошло в США, тем не менее они случались и в Европе. Сюда относятся крупные аварии со сжиженными углеводородами на промышленных предприятиях и морских судах; самой серьезной из них была авария 8 января 1979 г. в заливе Бантри (Ирландия), унесшая 50 человеческих жизней.

В работе [Marshall, 1979] отмечалось, что в последние годы примерно 40% крупных аварий с горючими жидкостями и газами было связано с легкими углеводородными фракциями (метан, пропан, этан, бутан и т.д.); причем пропан по уровню опасности в 30 раз превосходит бензин.

2.2.3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Быстрый рост химической промышленности может быть разделен на ряд этапов; основные опасности химических производств характерны лишь для последних из них. На рис. 2.1.* представлена хронология появления новых опасностей, обусловленных развитием цивилизации в текущем столетии.