Wykorzystanie tlenu w przemyśle i innych sektorach

Tlen jest bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku gazem w warunkach atmosferycznych (T = 18°C, p = 760 mm Hg). Jego udział w atmosferze wynosi 21%.

W pewnych warunkach tlen łatwo reaguje z większością elementów i tworzy odpowiednie tlenki. Jest on również niezbędny do spalania. W przypadku olejów i smarów lub zanieczyszczonych nimi tekstyliów, np. wyposażenia czyszczącego, tlen może prowadzić do samozapłonu.

Tlen jest niezbędną pomocą w wielu różnych branżach i procesach.

Medium używa się przykładowo w następujących zastosowaniach:

• w hutnictwie, odlewnictwie i przemyśle spożywczym
• w zakresie technologii wody w uzdatnianiu wody oraz jako środek utleniający
• w medycynie podczas wentylacji
• podczas wypraw do podwodnego świata
• w podróżach kosmicznych jako utleniacz do paliw rakietowych
• w przemyśle chemicznym, np. przy produkcji kwasu siarkowego czy azotowego
• w produkcji gazu syntezowego z węgla i wodoru z olejów ciężkich
• podczas topienia metali o wysokiej temperaturze topnienia za pomocą płomienia tlenowo-wodorowego
• w ogniwach paliwowych
• w ramach technologii autogenicznej z acetylenem w gazowym spawaniu i cięciu
• w cięciu laserowym płomieniem jako gaz tnący
• jako gaz procesowy w cięciu plazmowym
• w przemyśle papierniczym do bielenia
• w przemyśle tekstylnym, np. pralniach
• w szpitalach

Substancje spalające się w powietrzu zachowują się znacznie intensywniej w czystym tlenie przy normalnym ciśnieniu. W atmosferze czystego tlenu spalanie wybuchowe jest możliwe pod zwiększonym ciśnieniem, ponieważ w tych warunkach do zapłonu potrzeba mniej energii.

Istnieje wiele materiałów, które nie spalają się w powietrzu, ale reagują w tych samych warunkach w czystym tlenie. Ryzyku pożaru sprzyja w tych przypadkach również wyższe ciśnienie, ponieważ wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta ilość substancji palnych.

W kontekście wzniecenia pożaru ważne są trzy czynniki: utleniacz, paliwo i źródło zapłonu. Brak któregokolwiek z tych trzech składników zwykle zapobiega powstaniu pożaru.

Załóżmy, że w systemie przemysłowym pod zwiększonym ciśnieniem płynie czysty tlen. Elementy wewnątrz zaworu, regulatory ciśnienia, przewody rurowe i złączki stają się paliwem. Tlen jest utleniaczem, a sprężanie tlenu dodatkowo dostarcza energii zapłonu.

Jeśli tlen rozpręża się z wysokiego ciśnienia do niższego, może osiągnąć prędkość dźwięku. Jeśli przy tak dużej prędkości napotka opór, jego temperatura wzrośnie z powodu kompresji adiabatycznej. Wynika to z faktu, że w krótkim czasie podczas sprężania nie może dojść do uwolnienia energii cieplnej do otoczenia. Jeśli wzrasta ciśnienie wylotowe, wzrasta temperatura.

Ze względu na rosnącą temperaturę w danej aplikacji osiąga się punkt samozapłonu tworzyw sztucznych, związków organicznych i małych cząstek metali, których spalanie wytwarza wystarczającą ilość ciepła do zapłonu.

Zanieczyszczenia, wystające cząstki metalu i cząstki brudu, które zwykle się nie palą, mogą stać się tak gorące, że oprócz energii uderzenia i ciepła tarcia mogą wywołać pożar, a nawet eksplozję.

Podsumowując, mówimy tu o mechanizmach zapłonu, które można podzielić na następujące kategorie: uderzenia cząstek, uderzenia mechanicznego oraz tarcia i nagrzewania ciśnienia.

Szczególnie ważne jest dobre zarządzanie ryzykiem. Obejmuje to produkcję systemu oraz jego obsługę i konserwację:

• zapobieganie dużym prędkościom gazu
• unikanie nagłych przeszkód
• używanie uszczelek z tworzywa sztucznego tylko wtedy, gdy zapewnione jest odpowiednie odprowadzanie ciepła przez połączoną metalową powierzchnię
• wybieranie tworzyw metalowych zgodnie z najwyższym możliwym ciśnieniem, przy czym czasami potrzebne są specjalne stopy
• wykluczenie stosowania aluminium ze względu na jego niską energię zapłonu i niską temperaturę topnienia w zastosowaniach z czystym tlenem
• należy zbadać zastosowanie tworzyw niemetalicznych, przy czym w miarę możliwości należy stosować materiały niemetaliczne, które zostały również normatywnie zbadane pod kątem możliwości zastosowania z tlenem
• podczas pracy należy unikać szybkiego otwierania i zamykania zaworów ze względu na skoki ciśnienia

czystość jest priorytetem podczas instalacji, dlatego w obszarze czystego przepływającego tlenu nie mogą znajdować się związki organiczne ani cząsteczki. Ze względu na ryzyko zapłonu wszystkie części systemu, które mają kontakt z tlenem, muszą zostać oczyszczone i być czyste w trakcie pracy z tlenem, o ile jest to technicznie możliwe. Muszą być wolne od żużlu, rdzy, pozostałości po spawaniu, materiału po obróbce, oleju, smaru, rozpuszczalników oraz innych substancji obcych i cząstek obcych (takich jak opakowania, środki antykorozyjne i wióry po obróbce). W tym przypadku należy bezwzględnie unikać zwykłego smarowania, na przykład podczas instalacji rurociągów w systemie. Należy również unikać kontaktu z natłuszczonymi ścierkami do czyszczenia lub tłustymi rękami. Podczas obchodzenia się z tlenem nie wolno nosić odzieży pobrudzonej olejem lub smarem.

Dlatego podczas produkcji i konserwacji należy zwrócić szczególną uwagę na prawidłowy dobór komponentów. Z jednej strony muszą one być produkowane z zachowaniem standardów najwyższej czystości, aby uniknąć zanieczyszczenia, a z drugiej strony muszą się nadawać do medium i stosowanych materiałów pomocniczych.

Federalny Instytut Badań i Testowania Materiałów (BAM) udziela wskazówek, jakie komponenty mogą być stosowane w procesach z przepływem tlenu. „Dopuszczenie przez BAM” jest potocznie rozumiane jako badanie materiałów niemetalicznych mających kontakt z mediami (np. materiałów uszczelniających) pod kątem reaktywności z gazowym lub ciekłym tlenem w różnych temperaturach i ciśnieniach.

Ponadto należy przestrzegać ulotki M 034 stowarzyszenia BG RCI (stowarzyszenia zawodowego w zakresie tworzyw i przemysłu chemicznego). Ulotka dotyczy parametrów i właściwości tlenu, zagrożeń i środków ochronnych podczas obchodzenia się z tlenem i mieszaninami tlenu, a także zaleceń dotyczących zakupu i eksploatacji systemów tlenowych.