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化工设计与安全.pdf

化工设计与安全

rong216 2010-07-27 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《化工设计与安全pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含化工厂设计和操作安全化工厂安全贯穿于规划、设计、建厂、试车、投产的全过程。工厂的选址和布局、设备配置和结构材料的微小变化都会对化工安全产生重大影响。符等。

化工厂设计和操作安全化工厂安全贯穿于规划、设计、建厂、试车、投产的全过程。工厂的选址和布局、设备配置和结构材料的微小变化都会对化工安全产生重大影响。安全问题在工厂设计的初始阶段就应该考虑到。否则到了设计后期投资和时限的紧迫有可能忽略这项内容。本章叙述了化工厂设计和操作在安全方面的考虑至于设计和操作本身的详细知识请参阅有关的专门书籍。第一节工厂的定位、选址和布局工厂所在的地区工厂和环境以及工厂内部组件之间的相对位置对化工厂的安全是至关重要的问题。这包括化工厂的定位、选址、布局和单元区域规划四方面的内容。本节只介绍前三者而单元区域规划将另处给出。一、危险和防护的一般考虑在工厂的定位、选址和布局中会有各式各样的危险。为便于讨论可以把它们划分为潜在的和直接的两种类型。前者称为一级危险后者称为二级危险。对于一级危险在正常条件下不会造成人身或财产的损害只有触发事故时才会引起损伤、火灾或爆炸。典型的一级危险有:有易燃物质存在有热源存在有火源存在有富氧存在有压缩物质存在有毒性物质存在人员失误的可能性机械故障的可能性人员、物料和车辆在厂区的流动由于蒸气云降低能见度等。一级危险失去控制就会发展成为二级危险造成对人身或财产的直接损害。二级危险为:火灾爆炸游离毒性物质的释放跌伤倒塌碰撞。对于所有上述两级危险可以设置三道防护线。第一道防护线是为了解决一级危险并防止二级危险的发生。第一道防护线的成功主要取决于所使用设备的精细制造工艺如无破损、无泄漏等。在工厂的布局和规划中也有有助于构筑第一道防护线的内容如:()根据主导风的风向把火源置于易燃物质可能释放点的上风侧()为人员、物料和车辆的流动提供充分的通道。尽管做出以上努力但仍时有二级危险例如火灾发生。对于二级危险为了把生命和财产的损失降至最小程度需要实施第二道防护线在工厂的选址和规划方面采取一些步骤如:()把最危险的区域与人员最常在的区域隔离开()在关键部位安放灭火器材。不管预防措施如何完善但仍时有人身伤害事故发生。第三道防护线是提供有效的急救和医疗设施使受到伤害的人员得到迅速救治。最后一道防护线的意义是迅速救治未能防止住的伤害。考虑完成上述防护线的工具和方法其中一些自然界可以提供而另外一些则只能由人给出。让我们先讨论自然的方法。地形是规划安全时可以利用的一个因素。正如液体向下流一样从运行工厂释放出的许多易燃或毒性气体也是如此。可以适当利用这个地理特征作为安全工具为我们服务排除这些危险气体。巨大水量的水源灭火时极为重要水供应得充足与否往往决定着灭火的成败。主导风方向是另一个重要的自然因素。从地方气象资料可以确定刮各个方向风的时间的百分率通过选址和布局使得主导风有助于防止易燃物飘向火源防止蒸气云或毒性气体飘过人口稠密区或穿越道路。很显然风并不总是沿着主导的方向吹但是选址和布局所做的是多重选择中最佳的一种。超出自然方法之外人工智能也可以提供一些强化安全的要素隔开距离就是这样的一种要素。隔开距离实现不同危险之间以及危险和人之间的隔离比如燃烧炉和向大气排放的释放阀之间以及高压容器和操作室之间都要隔开一段距离。类似的方法是用物理屏障隔离。一个典型的例子是用围堰限制液体的溢流如围绕贮罐的围堰就是起这种作用。两种经常结合应用的方法是危险的集中和危险的标识。考虑压力贮存容器的定位最好是把这类装置隔离在工厂的一个特定区域内使得危险集中易于确定危险区的界限。这样做有两个明显的好处首先是使值班人以外的人员都远离危险区其次是必须工作在或必须通过危险区的人员完全熟悉存在的危险情况可以相对安全。同时还应该注意到危险集中的不利之处一个容器起火或爆炸有可能波及相邻的容器造成更大的损失。但是经验告诉人们集中的危险会受到更密切的关注有可能会减少事故把危险分散至全厂而不为人所注意会更具危险。作为安全工具可以设计和配置一些物理设施如救火水系统、安全喷射器、急救站等以备对付危险之用。二、工厂的定位问题考虑工厂定位我们面对的是一个计划中的工厂和一个现实的环境要解决的问题是把工厂建于何处。化工厂定位一般遵循以下基本原则:()有原料、燃料供应和产品销售的良好的流通条件()有贮运、公用工程和生活设施等方面良好的协作环境()靠近水量充足、水质优良的水源()有便利的交通条件()有良好的工程地质和水文气象条件。工厂应避免定位在下列地区:()发震断层地区和基本烈度度以上的地震区()厚度较大的Ⅲ级自重湿陷性黄土地区()易遭受洪水、泥石流、滑坡等危害的山区()有开采价值的矿藏地区()对机场、电台等使用有影响的地区()国家规定的历史文物、生物保护和风景游览地区()城镇等人口密集的地区。工厂定位时除了谨遵以上禁忌外考虑得更多的是经济问题。固然高风速、地震、雨雪量、雷电频发率等不安全因素在工厂定位时会给予适度考虑但这些往往会淹没在经济考虑之中。比如世界上多数大型石油化工企业都建立在原料产地附近就是出于原料流通经济上的考虑。对于这方面的内容不再赘述。三、工厂选址的安全问题工厂选址仍然是一种工厂相对于其环境的定位问题。化工厂对其所在的社区可能会有多种危险从工厂飘逸出的有毒或有害气体会进入居民区或其他人口稠密的地区易燃气体会飘过如其他工厂的煅烧炉之类的火源冷却塔的烟雾会飘过交通繁忙的高速公路或道路等等。隔开距离把厂址选择在一个孤立地区可以解决上述问题。如果客观条件不允许实现以上举措可以依据主导风把工厂置于社区的下风区域。虽然风并不总是沿着主导的方向吹但这至少可以部分改善上述危险产生的困扰。工厂高构筑物可能的坍塌是对社区的另一种潜在的危险。在许多城市建筑法规要求高建筑物或构筑物都要留有一定的间距防止落体砸伤行人、汽车司乘人员或砸坏邻近的设施。工厂会产生需要排除的废液。应该确保预期的排污方法不会污染社区的饮用水。特别是对于渔业对海洋生物的毒性作用会成为严重问题。可能含有爆炸混合物的日常排污管道务必不可穿越公共的或私人的地界。对工厂的主要进出口点要格外小心。上下班时进出厂的交通车量剧增如果不适当安排或疏散会引起严重的交通事故。如果工厂邻近高速公路会有车辆离开公路冲人工厂的危险。毗邻的工厂可能会释放出毒性或易燃气体飘入工厂引起人员中毒或由于火花或加热面而起火。在这种情况下如果可能最好是把工厂建于上风区或是隔开一定的距离。充足的水源会增强灭火能力。最好是工厂附近有河流或湖泊可用作水源使得救火水不必从地下泵取。还要考虑地方城市供水系统用作救火水源的可能性。地形也是一个要考虑的因素。参加工厂设计的每个人都会同意厂区应该是一片平地。厂区内不应该有洼地否则可能会形成毒性或易燃蒸气或液体的积聚。相对于周围地区厂区最好地势较高而不应是低洼地。社区对工厂及其工作人员可能会构成某些确定的危险即使没有危险也可能不具有强化工厂安全所必要的设施。从这个意义上讲工厂选址在一个孤立地区有利于工厂安全。工厂救火时往往需要社区的协助社区协助的有效与否有时对救火的成败起着决定作用。还有在急救和医疗设施方面社区也能提供协助。综上可以看出在工厂选址中很难找到保证最大安全的恰当的地址。需要全面审核提出的带有管线、公路、铁路和电力线路敷设权的各种选址方案综合评定其对工厂存在的或潜在的危险择优确定较佳的方案。四、工厂布局的安全问题工厂布局也是一种工厂内部组件之间相对位置的定位问题其基本任务是结合厂区的内外条件确定生产过程中各种机器设备的空间位置获得最合理的物料和人员的流动路线。化工厂布局普遍采用留有一定间距的区块化的方法。工厂厂区一般可划分为以下六个区块:工艺装置区罐区公用设施区运输装卸区辅助生产区管理区。对各个区块的安全要求如下。.工艺装置区加工单元可能是工厂中最危险的区域。首先应该汇集这个区域的一级危险找出毒性或易燃物质、高温、高压、火源等。这些地方有很多机械设备容易发生故障加上人员可能的失误而使其充满危险。在安全方面惟一可取之处是通常过程单元人员较少。加工单元应该离开工厂边界一定的距离应该是集中而不是分散的分布。后者有助于加工单元作为危险区的识别杜绝或减少无关车辆的通过。要注意厂区内主要的火源和主要的人口密集区由于易燃或毒性物质释放的可能性加工单元应该置于上述两者的下风区。过程区和主要灌区有交互危险性两者最好保持相当的距离。过程单元除应该集中分布外还应注意区域不宜太拥挤。因为不同过程单元间可能会有交互危险性过程单元间要隔开一定的距离。特别是对于各单元不是一体化过程的情形完全有可能一个单元满负荷运转而邻近的另一个单元正在停车大修从而使潜在危险增加。危险区的火源、大型作业、机器的移动、人员的密集等都是应该特别注意的事项。目前在化学工业中过程单元间的间距仍然是安全评价的重要内容。对于过程单元本身的安全评价比较重要的因素有:操作温度操作压力单元中物料的类型单元中物料的量单元中设备的类型单元的相对投资额救火或其他紧急操作需要的空间。.罐区贮存容器比如贮罐是需要特别重视的装置。每个这样的容器都是巨大的能量或毒性物质的贮存器。在人员、操作单元和贮罐之间保持尽可能远的距离是明智的。这样的容器能够释放出大量的毒性或易燃性的物质所以务必将其置于工厂的下风区域。前面已经提到贮罐应该安置在工厂中的专用区域加强其作为危险区的标识使通过该区域的无关车辆降至最低限度。罐区的布局有以下三个基本问题:()罐与罐之间的间距()罐与其他装置的间距()设置拦液堤所需要的面积。与以上三个问题有密切关系的是贮罐的两个重要的危险一个是罐壳可能破裂很快释放出全部内容物另一个是当含有水层的贮罐加热高过水的沸点时会引起物料过沸。如同加工单元的情形以上三个问题所需要的实际空间方面化学工业还没有具体的设计依据。罐区和办公室、辅助生产区之间要保持足够的安全距离。罐区和工艺装置区、公路之间要留出有效的间距。罐区应设在地势比工艺装置区略低的区域决不能设在高坡上。还有通路问题。每一罐体至少可以在一边由通路到达最好是可以在相反的两边由通路到达。.公用设施区公用设施区应该远离工艺装置区、罐区和其他危险区以便遇到紧急情况时仍能保证水、电、汽等的正常供应。由厂外进入厂区的公用工程干管也不应该通过危险区如果难以避免则应该采取必要的保护措施。工厂布局应该尽量减少地面管线穿越道路。管线配置的一个重要特点是在一些装置中配置回路管线。回路系统的任何一点出现故障即可关闭阀门将其隔离开并把装置与系统的其余部分接通。要做到这一点就必须保证这些装置至少能从两个方向接近工厂的关节点。为了加强安全特别是在紧急情况下这些装置的管线对于如消防用水、电力或加热用蒸汽等的传输必须是回路的。锅炉设备和配电设备可能会成为引火源应该设置在易燃液体设备的上风区域。锅炉房和泵站应该设置在工厂中其他设施的火灾或爆炸不会危及的地区。管线在道路上方穿过要引起特别注意。高架的间隙应留有如起重机等重型设备的方便通路减少碰撞的危险。最后管路一定不能穿过围堰区围堰区的火灾有可能毁坏管路。冷却塔释放出的烟雾会影响人的视线冷却塔不宜靠近铁路、公路或其他公用设施。大型冷却塔会产生很大噪声应该与居民区有较大的距离。.运输装卸区良好的工厂布局不允许铁路支线通过厂区可以把铁路支线规划在工厂边缘地区解决这个问题。对于罐车和罐车的装卸设施常做类似的考虑。在装卸台上可能会发生毒性或易燃物的溅洒装卸设施应该设置在工厂的下风区域最好是在边缘地区。原料库、成品库和装卸站等机动车辆进出频繁的设施不得设在必须通过工艺装置区和罐区的地带与居民区、公路和铁路要保持一定的安全距离。.辅助生产区维修车间和研究室要远离工艺装置区和罐区。维修车间是重要的火源同时人员密集应该置于工厂的上风区域。研究室按照职能的观点一般是与其他管理机构比邻但研究室偶尔会有少量毒性或易燃物释放进入其他管理机构所以两者之间直接连接是不恰当的。废水处理装置是工厂各处流出的毒性或易燃物汇集的终点应该置于工厂的下风远程区域。高温煅烧炉的安全考虑呈现出矛盾。作为火源应将其置于工厂的上风区但是严重的操作失误会使煅烧炉喷射出相当量的易燃物对此则应将其置于工厂的下风区。作为折中方案可以把煅烧炉置于工厂的侧面风区域。与其他设施隔开一定的距离也是可行的方案。.管理区每个工厂都需要一些管理机构。出于安全考虑主要办事机构应该设置在工厂的边缘区域并尽可能与工厂的危险区隔离。这样做有以下理由:首先销售和供应人员以及必须到工厂办理业务的其他人员没有必要进入厂区。因为这些人员不熟悉工厂危险的性质和区域而他们的普通习惯如在危险区无意中吸烟就有可能危及工厂的安全。其次办公室人员的密度在全厂可能是最大的把这些人员和危险分开会改善工厂的安全状况。在工厂布局中并不总是有理想的平地有时工厂不得不建在丘陵地区。有几点值得注意液体或蒸气易燃物的源头从火险考虑不应设置在坡上低洼地有可能注水锅炉房、变电站、泵站等应该设置在高地在紧急状态下如泛洪期这些装置连续运转是必不可少的贮罐在洪水中易受损坏空罐在很低水位中就能漂浮从而使罐的连接管线断裂造成大量泄漏进一步加重危机。甚至需要考虑设置物理屏障系统阻止液体流动或火险从一个厂区扩散至另一个厂区。第二节化工工艺设计一、工艺流程图工艺流程图绘制是化工厂设计初始阶段的工作。这些流程线图经过提炼和修改最后成为管线配置图、平面图、设备图等绘制的基础。因为早期阶段做出的决定严重影响着后续阶段在流程图绘制中始终都要对安全给予充分注意。在设计程序中凭借文献、实验室实验和中试工厂模试的有关资料进行设计是惯常的做法。从放大设计到满负荷的工厂工艺设计者需要考虑已经研讨过的工艺过程和操作中的许多放大问题:()工业原料和不太纯的化学品的应用()传质、传热和物质传递方法的放大效应()不同停留时间的影响()原料、中间产物和产品贮存量的影响()连续操作对残余物积累的影响()结构材料差异的影响()操作监控等级差异及较高程度自动控制的应用。如果操作方式由零批或间歇变化为完全连续则需要做更多更详尽的考虑。工艺流程图的绘制是从基本的过程计算开始的。过程每一阶段的设计都必须满足安全要求一切可能的危险都必须鉴别和估算出来将其排除或采取预防措施对其进行限制。但是过程是高度整体化的过程的每一步骤都影响着其他步骤的操作。所以过程可以划分为若干个子区间对每一子区间内部的安全操作及其对其他子区间安全的影响都要进行分析。方便的子区间划分是:()反应(决定整个系统的动力学)()分离如蒸馏、吸收、吸附、液体萃取、过滤、干燥、粉碎等()贮存如固体、液体和气体物料的贮存。工艺流程图是描述过程的主要文件它表示出了主要设备、主要物流路线和控制点。对于正常操作预期的主要温度和压力物料的流动和组成以及主要设备的设计能力都做了说明。二、管线配置图管线配置图是指管路和仪表的线路图又称作工程线路图是设计和施工的基本工作文件一般包括:()开启、关闭、紧急和普通操作需要的所有过程设施如阀门、盲板、可移动的柱塞等()施工材料的鉴定序号和鉴定人每条管路的直径和绝热要求()物流的方向()主要过程和起始管路的识别()所有仪表、控制点和有仪表失灵显示功能的连锁装置()所有设备的主要尺寸和负荷()容器、反应器的操作和设计温度、压力()装置的标高()释放阀、安全膜等的设定压力()排水要求()必要时要有管路配置的特殊备忘录。三、过程物料的安全评价过程物料的选择应该就物料的物性和危险性进行详细地评估对一切可能的过程物料做总体考虑。过程物料可以划分为过程内物料和过程辅助物料两大类型。过程内物料是指从原料到产品的整个工艺流程线上的物料如原料、催化剂、中间体、产物、副产物、溶剂、添加剂等。而过程辅助物料是指实现过程条件所用的物料如传热流体、重复循环物、冷冻剂、灭火剂等。在过程设计中需要汇编出过程物料的目录记录下过程物料在全部过程条件范围内的有关性质资料作为过程危险评价和安全设计的重要依据。过程物料所需的典型资料如下。()一般性说明资料物料名称和别名、分子结构式和相对分子质量、物理状态、纯度、外观、气味或味道、腐蚀性、主要用途、危险性和防护措施、污染因素等。()基础物性资料蒸气密度、相对密度、熔点、沸点、溶解度和互溶性、黏度、粒度及其分布、临界参数、膨胀系数、表面张力、JouleThompson系数等。()易燃性资料闪点、着火点、燃烧极限、自热、蒸气压。介电常数、电阻、粉尘爆炸性质、火灾中的毒性热分解产物等。()反应性资料高速量热、差热分析、撞击实验、热稳定性、热分解试验、爆燃引起的爆炸扩散、自燃性等。()毒性资料毒性危险等级、卫生标准、最大允许浓度、半致死浓度或半致死剂量等。()暴露作用吸入或食入危险、呼吸刺激、皮肤刺激、眼睛刺激、皮肤或呼吸的敏感度等。()放射性资料放射性测试α、β、γ、中子射线暴露及其危害等。四、过程路线的选择过程路线的选择是在工艺设计的最初阶段完成的。过程路线的安全评价应该考虑过程本身是否具有潜在危险以及为了特定目的把物料加入过程是否会增加危险。.有潜在危险的过程有一些化学过程具有潜在的危险。这些过程一旦失去控制就有可能造成灾难性的后果如发生火灾、爆炸或毒性物质的释放等。有潜在危险的过程有:()爆炸、爆燃或强放热过程()有粉尘或烟雾生成的过程()在物料的爆炸范围或近区操作的过程()在高温、高压或冷冻条件下操作的过程()含有易燃物料的过程()含有不稳定化合物的过程()含有高毒性物料的过程()有大量贮存压力负荷能的过程。.反应过程的安全分析实现物质转化是化工生产的基本任务。物质的转化反应常因反应条件的微小变化而偏离预期的反应途径化学反应过程有较多的危险性。充分评估反应过程的危险性有助于改善过程的安全。()对潜在的不稳定的反应和副反应如自燃或聚合等进行考察考虑改变反应物的相对浓度或其他操作条件是否会使反应的危险程度减小。()考虑较差混合、反应物和热源的低效配置、操作故障、设计失误、发生不需要的副反应、热点、反应器失控、结垢等引起的危险。()评价副反应是否生成毒性或爆炸性物质是否会有危险垢层形成。()考察物料是否吸收空气中的水分变潮表面粘附形成毒性或腐蚀性液体或气体。()确定所有杂质对化学反应和过程混合物性质的影响。()确保结构材料彼此相容并与过程物料相容。()考虑过程中危险物质如痕量可燃物、不凝物、毒性中间体或副产物的积累。()考虑催化剂行为的各个方面如老化、中毒、粉碎、活化、再生等。.有潜在危险的操作完成每一过程都要实施一些具体的操作有些操作本身具有潜在的危险。分析和确定这些操作的危险性是过程安全评价的重要内容。下面列出了一些常见的有潜在危险的操作。()易燃或毒性液体或气体的蒸发和扩散()可燃或毒性固体的粉碎和分散()易燃物质或强氧化剂的雾化()易燃物质和强氧化剂的混合()危险化学品与惰性组分或稀释剂的分离()不稳定液体的温度或压力的升高。.间歇过程和连续过程比较在工艺设计中需要在间歇过程和连续过程之间做出选择。对于大批量的操作从经济上考虑后者更具有优势。然而单一或复合物流的抉择严重影响着过程安全、个别装置的载荷以及生产中断的潜能。对于间歇反应往往需要在两个连续批次之间清洗反应器这可能会由于清洗准备不充分、清洗程序不完善或没有完全移除清洗液而引入新的危险。下面就间歇和连续两种过程方式进行具体比较。()间歇过程各操作单元之间易于隔绝单元设备过程物料持有量较大。连续过程各操作单元连通过程物料持有量较少。()间歇过程劳动强度较大紧急状态下操作者有较多的机会介入。连续过程更多地依靠自动控制。()间歇过程产物纯度容易控制过程物料易于识别。连续过程不稳状态或周期性波动(如开车或停车)较少。()间歇过程有详尽的指令和操作规程可以减少操作失误或设备的损坏。连续过程的容器或设备很少需要清洗不稳态的物料输入也较少。()间歇过程有较长的暴露时间。在连续过程中有潜在危险的中间体无需贮存直接加工。五、工艺设计安全校核工艺设计必须满足安全要求。机械设计、过程和布局的微小变化都有可能出现预想不到的问题。工厂和其中的各项设备是为了维持操作参数允许范围内的正常操作设计的在开车、试车或停车操作中会有不同的条件因而会产生与正常操作的偏离。为了确保过程安全有必要对设计和操作的每一细节逐一校核。.物料和反应的安全校核()鉴别所有危险的过程物料、产物和副产物收集各种过程物料的物质信息资料。()查询过程物料的毒性鉴别进入机体的不同入口模式的短期和长期影响以及不同的允许暴露限度。()考察过程物料气味和毒性之间的关系确定物料气味是否令人厌倦。()鉴定工业卫生识别、鉴定和控制所采用的方法。()确定过程物料在所有过程条件下的有关物性查询物性资料的来源和可靠性。()确定生产、加工和贮存各个阶段的物料量和物理状态将其与危险性关联。()确定产品从工厂到用户的运输中对仓储人员、承运员、铁路工人、公众等呈现的危险。()向过程物料的供应商咨询有关过程物料的性质和特征贮存、加工和应用安全方面的知识或信息。()鉴别一切可能的化学反应对预期的和意外的化学反应都要考虑。()考察反应速率和有关变量的相互依赖关系确定阻止不需要的反应、过度热量产生的限度。()鉴别不稳定的过程物料确定其对热、压力、振动和摩擦暴露的危险。()考察改变反应物的相对浓度或其他反应操作条件可否降低反应器的危险。.过程安全的总体规范()过程的规模、类型和整体性是否恰当。()鉴定过程的主要危险在流程图和平面图上标出危险区。考虑选择特殊过程路线或其他设计方案是否更符合安全。()考虑改变过程顺序是否会改善过程安全。所有过程物料是否都是必须的可否选择较小危险的过程物料。()考虑物料是否有必要排放如果有必要排放是否安全以及是否符合规范操作和环保法规。()考虑能否取消某个单元或款项并改善安全。()校核过程设计是否恰当正常条件的说明是否充分所有有关的参数是否都被控制。()操作和传热设施的设计、安装和控制是否恰当是否减少了危险的发生。()过程的放大是否正确。()过程能否自动防止关于热、压力、火险和爆炸的过程故障。()考虑是否采用了二次概率设计。.非正常操作的安全问题()考虑偏离正常操作会发生什么情况对于这些情况是否采取了适当的预防措施。()当工厂处于开车、停车或热备用状态时能否迅速畅通而又确保安全。()在重要紧急状态下工厂的压力或过程物料的负载能否有效而安全地降低。()对于一经超出必须校正的操作参数的极限值是否已知或测得如温度、压力、流速、浓度等的极限值。()工厂停车时超出操作极限的偏差到何种程度是否需要安装报警或自动断开装置。()工厂开车和停车时物料正常操作的相态是否会发生变化相变是否包含膨胀、收缩或固化等这些变化可否被接受。()排放系统能否解决开车、停车、热备用状态、投产和灭火时大量的非正常的排放问题。()用于整个工厂领域的公用设施和各项化学品的供应是否充分。()惰性气体一旦急需能否在整个区域立即投入使用有否备用气供应。()在开车和停车时是否需要加入与过程物料接触会产生危险的物料。()各种场合的火炬和闪光信号灯的点燃方法是否安全。第三节化工单元区域规划化工单元区域规划是定出各单元边界内不同设备的相对物理位置。完成既降低建设和操作费用又有充分安全保证的区域规划不是一件容易的事。一般来说单元排列越紧密配管、泵送和地皮不动产的费用越低。但是出于安全考虑需要把危险隔开单元排列应该比较分散同时也为救火或其他紧急操作留有充分的空间。综合考虑表明留有自由活动空间的开放的区域规划更合理一些。过分拥挤严重影响施工和维修效率会增加初始的和继续的投资费用。一、加工单元区域的规划.设备配置的直线排列试图平衡区域规划中互相矛盾的各种因素的多年实践产生了一种为加工工业普遍接受的区域规划方法:单元中大多数塔器、简体、换热器、泵和主要管线成直线狭长排列。这种设备排列方法的主要特征是:()设备配置直线的两边都与厂区道路连接。这样在救火或其他紧急情况时设备配置线的主要部分的两边都有方便的通路。连接道路可以作为阻火堤把设备配置线与厂区其余部分隔离。()钢制框架与道路邻接。热交换器设置在框架上部冷却水箱设置在框架下部。吊车可以方便地驶入安全装运热交换器的管束、管件和较重的组件。冷却水箱设置在框架上使得整个冷却水系统的维修极为方便而不必挖掘装置周围和装置之下的地基。()设备配置直线上的精馏塔、热交换器、馏出液接受器、回流筒等装置一般采用框架结构平坡式布局方式。框架结构在精馏塔旁边提供了开放区域塔板和其他塔内件易于拆卸装车运至维修区。在线的塔器、回流筒、热交换器之下的平坡低洼部分对于易燃或毒性溢流物可以起截流的作用防止污水管将其排净前扩散至单元的其他区域。()管架也设置在设备配置直线上。管架的合理排布可以消除过顶间距太小或是仅敷设在乎坡上的管束而且可以避免管沟而管沟常常是危险液体或蒸气的良好的载体。()泵排设置在设备配置直线的旁边与道路邻接。泵排上面不得有任何障碍物使得泵和传动装置维修时便于移动。()简体、泵、装配有观测平台的蒸馏塔以及需要桥式吊车钢梁导轨吊人的设备按序定在设备配置线上从而把相关的危险操作集中在一起。设备以安装在地平面上为宜。但是由于过程原因如蒸馏或吸收塔喷雾干燥塔或立式反应器需要提供重力自流或泵的负压压头的设备等设备提升是不可避免的。重的设备应尽量避免高位安装最好和其他设备在同一水平线上或者有坚实的基座。把直线排列的原理用于集成化过程单元的规划可以把前述的区域规划发展成为一系列平行的、并排的设备配置直线。各过程单元的其余组件分布在这些直线簇相邻的区域沿着设备配置直线的端点向外延伸。管线配置也分成了两部分:整个过程区的主管线以及由主管线引出的各条设备配置线的支管线。.非直线排列设施的配置直线排列的设备构成了单元区域的骨架单元的其他组件如控制室、压缩机、反应器、溢流槽、加热炉等可以设置在直线排列的两边。应用这种方法一般可以达到近乎方形的最大面积规划。控制室是单元的神经中枢是单元中最重要的部位。从操作本身考虑似乎应该把控制室置于单元区域的中心做到控制室离各操作观测点的距离最短。但是这样设置控制室会有较大的潜在危险:单元中一旦发生重大事故极易波及控制室。所以最好是把控制室设置在单元的周边区域。对于处理毒性物质的单元控制室应该设置在单元的上风区域。最后控制室应该和高温或高压容器、盛有相当量的易燃或毒性液体的容器隔离。加热炉有两个基本问题作为明显的火源加热炉应该设置在单元其余部分的上风区域但是这会引起烟道气飘过塔器的高架平台或其他建筑物的问题。最好的解决办法是采取折中方案把加热炉设置在侧面风区域。应该尽量保持加热炉与其他危险设备的适度分离。压缩机剧烈运转应该注意与其他危险设备适当隔离。压缩机容易泄漏气体应该置于单元的下风区域。在现代工业实践中由于泄漏的原因很少把压缩机或泵安装在室内。即使在必须预防风雨的极少数情况下这些设备也只是安装在只有屋顶而无侧墙的亭阁式建筑物中。对于反应器主要考虑的是提供充分的空间、反应器内件安全操作的设施以及有关的催化剂。有些高热运转的反应器可以作为火源来处理。非直线排列设备的配置还包括诸多的公用工程设施。电力线路必须从地下进入加工单元适当安排人口点避免在整个单元的电力系统设置人孔。如果单元装配有紧急释放阀或烟气管线这些设施应靠近控制室远离火险或其他危险区域。消防火栓或监控器必须与危险点足够近从而能有效发挥作用但也不能离的太近危机时无法靠近。注意可能会阻止水流到达危险点的障碍物检查有无必要时迅速撤退的通路。水龙带拖车或安全喷射器也作类似的配置。除非绝对必要铁路支线才引入单元区。当铁路支线引入单元区时应该提供货车可能脱轨的充分的空间。不宜把装卸设备设置在铁路支线终点的延伸方向以避免货车的过冲、扯脱货车挡与装卸设备碰撞。在完成区域规划时应该充分考虑将来发展扩建添加设备的可能性。在建设时一个完美排列的单元硬挤进一些附加的设备由于没有充足的空间而变得壅塞。应用成直线排列在泵区中会为二些附加的泵甚至是二两个附加的简体找到合适的充足的空间。但是对于换热器、塔器、加热炉、反应器等需要在工厂设计时为这些装置的添加留有一定的裕度。.室内装置的配置对于需要精确的温度控制或需要操作者经常观察的情形必须把加工单元的部分或全部置于室内。对于室内装置主导风和隔开距离这两个工具的重要性大大降低。在室内无主导风隔开距离会增加建筑物的建筑面积而使财政负担加重。即使隔开距离不会增加建筑费用在室内距离的作用也会降低。在室内释放出的毒性或易燃蒸气会留存在建筑物内而不会像室外那样迅速扩散。然而仍然可以采用其他一些方法如物理屏障等实现室内装置的隔离。如果火源和易燃物源两者都必须设在室内最好把它们分置在建筑物的分隔间内。火源和易燃物源隔离墙的门或开口易燃蒸气或液体能够从中通过接近火源应该保持在最小数量。特别易于起火、爆炸或释放毒物的设施如高温、高压或大容量的容器应该与像控制中心这样的经常有人员的区域隔离开。实现隔离目的的墙壁也应该有最小数量的开口同时这些墙壁还应该进行强度和耐火设计。容易经受爆炸的隔离间可以有一面或多面有意设计的强度较弱的墙壁以便在避开人员或其他设施的方向卸掉爆炸力。多层或阶梯式建筑有本身特有的地势问题。易燃或毒性液体源不应该设置在火源或人员之上。如果包含蒸气火源或人员的位置则取决于蒸气的密度比空气大还是比空气小。如前所述危险的集中有助于确定特别危险区的界限。此外危险的集中会增进提供具体安全设施的可行性。可以提供的安全设施有:()高容量的通风系统有助于保持空气蒸气或空气粉尘混合物在其爆炸极限之下()高容量的排水系统很快排除泄漏的液体()遥控操作加工装置()自动灭火装置如水喷雾、蒸气覆盖、泡沫或惰性气体系统。对于几个危险装置集中于室内某个区域或分隔间的情形只有上述安全设施是不够的。这些装置由于其与人或其他装置的靠近还必须考虑它们复合的危险作用。与室外设施相比需要更加严格地规范从室内装置撤退的通路。在室内很难过分强调精细设计的平台、扶梯、人行道、出入口或滑运斜道系统的需要。永久平台应该供作单元中所有无法拾阶而上的操作点的进出口所有操作平台(塔器平台可能例外)都应该有两种下行方法防止紧急状态时截流操作人员。从高架平台向下的所有扶梯和滑梯孔道都应设在最小可能遭受火险或毒物泄漏的地点。扶梯或滑梯的着陆点应该接近易于从单元撤退的通路。塔器的人孔平台应该有塔内件安全维护的充分的工作空间打开人孔的方向应该避开从平台向下的扶梯。二、单元区域的管线配置.管线配置的防泄漏设计工厂化学品的主要泄漏与以下各项成比例:()管线的长度()排放口的数量()管线的复杂性。设备间隙的增加和危险组件的隔离都会强化安全但这却需要增加管件的总量或增加管线的长度从而也增加了泄漏的可能性和工程建设费用。上述几方面之间需要建立恰当的平衡关系。管线的复杂性一般反映在连接的泵的数量以及再循环物流的数量两个方面。减少管件泄漏的简单的设计规则如下。()减少分支和死角的数量。()减少小排放口的数量。管道配置应该做到在少数几处容易接近、容易观察的位置排放。()按照相同的规范设计小口径的支管和主管一样进行严格的检验。确保小的支管在交叉点得到加强并有充分的支撑。()考虑到管件或容器的热膨胀管线需要有一定的伸缩性。在短管管架上需要恰当地配置波纹管。这些波纹管应该只是做轴向移动还需要衬内套管以免在波纹管的褶沟中充人固体沉积物。()直接卸料的排放口应该设在操作者能够观察到的地方。工作系统对这些排放口应该进行定期核查和报告。()保证密封垫与管内流体在最大可能的操作温度下完全互容在最大内压下也能够紧缩密封。()减少真空管线(如真空蒸馏塔上的冷凝器)上的法兰盘数量。()在阀式取样点应该配置可移动的插头。()要有充分的管道支撑从放料或从安全阀检验管道的作用力。()设置管道应该避免通过可能使其受到机械损伤的地方。()应该有充分的通道、扶梯等以免攀越管件。()紧固承受高温的大法兰盘应该采用高强度的螺栓。.软管系统的配置对于油船、罐车等的液体物料的装卸软管的选择和应用需格外谨慎。应考虑的是:()软管的适用性并结合有关软管的标准。()设置紧急状态下迅速隔离的设施如对于油船卸货在软管的一端要设紧急隔离阀在另一端要设止逆阀用过流阀替代远程隔离阀等。()应该使用螺栓固定的软管夹不宜使用侧卸式的软管夹。()软管系统应用时要有充分的保护和支撑设施不用时要防止软管的压破或损坏。()所有高于大气压操作的可移动软管都应设置排空阀以便降压时防止软管的折断。.管线配置的安全考虑通常用于管道工程的橡胶支撑物不能用于设备设备重心之下的水平连接法兰需要用钢性板支撑。柱塞阀的邻近也需要有支撑物。聚四氟乙烯波纹管不能用来连接不同心的管道。支撑板、垫片和管接头的材料性能制造说明书会有确切的说明。管件和阀门配置的简单和易于识别是安全操作的重要因素。对于不稳定液体的传递管件、阀门和控制仪表的配置应该防止液体静止在运转的泵中。对于气体和液体其设计应该考虑沿与设定相反方向流动的可能性。在化工案例中有大量回流的情形如:()从贮罐或下游管线回流进入已关闭的设备()从设备回流进入有压力降的辅助设备的管线()泵的故障引起回流()反应物沿副反应物的物料管线回流。在设备管线配置中对于只是间歇使用的设备推荐应用不用时断开的软管与过程设备连接。对于常设的设备管线如果设备压力降低至过程正常压力之下管线应该有低压报警如果设备压力升高至过程正常压力之上则应该有高压报警。在设备管线上应该安装止逆阀以防止管线中流体的回流。过程管线上的止逆阀发生故障会造成严重的后果因此建议安装两个不同类型的止逆阀尽可能把相同形式的损坏减至最小程度。如果回流的结果导致剧烈的反应或设备的过压止逆阀不足以提供可靠的保证这时需要高度可靠的断开或关闭系统。对于泵体或设备极有可能泄漏以及大量物料从设备无限制流出的情形应该考虑安装远程操作的紧急隔离阀。液化石油气容器的所有过程排放管线也推荐采用自动闭合阀或遥控隔离阀。对于操作的情形遥控隔离阀应用于充气管线、加料管线比普通隔离阀有明显的优势。三、单元装置和设施的安全设计.装置的安全设计装置、仪表和辅助设施是用来完成各种化学过程或单元操作的组合在一起构成了一个完整的制造单元。设计时的许多决定对工厂安全有着重要的作用。在设计阶段广泛采用的两个重要概念是“故障自动保险”和“二次概率设计”。故障自动保险要求当装置、仪表或过程控制回路出现故障时系统恢复到最小危险状态。二次概率设计是指当操作失误或设备出现故障时会启动备用设备预防危险出现或降低危险的作用。这方面的典型例子有:()容器的压力释放装置()设备或建筑物的爆炸卸荷设施()贮罐周围的围墙防护()紧急关闭系统()过程参数高限或低限启动的关闭装置()报警装置例如火险、过程参数高限或低限的报警。.辅助工程设施安全电气设备在易燃气氛中应该作为火源处理。除电力外化工厂操作还需要以下辅助工程款项:()蒸汽()过程用水和锅炉用水()消防用水()冷却水()压缩空气()惰性气体。对于上述款项的主要考虑是要有充足的供应量以满足预期的最大量的需要其次是这些设施的可靠性以及关闭时备用设备或紧急贮存器的提供。排水系统的恰当设计是必要的。易燃液体有时是与救火消防水的混合物的排放不畅在有关易燃液体泄漏的大量损失中是起重要作用的因素。排水系统的优化设计应该是一旦易燃液体泄漏出来就立即排离加工单元导入蓄污池。装置的抗污染也是重要的。例如应用蒸汽灭火一般是起稀释泄出物的作用消防蒸汽供应线应该与正常蒸汽供应线隔离开消除烃类泄出物渗入正常蒸汽的任何可能性。压缩空气的过程污染可以应用物理隔离的方法避免。地面水和污水也必须隔离排放。对于惰性气体既要保证日常操作和紧急状态下充足的供应量又要防止被污染。对于加工易燃液体或气体的区域应该尽可能采用敞开结构。这既可以有助于气体或蒸气泄漏物的扩散通风又可以提供最大可能的爆炸排放面积而且还有利于救火。粉尘捕集装置和过滤器也应该设置于没有其他过程的敞开区域。第四节压力容器的设计、制造和检验一、压力容器概述.压力容器规范化早在世纪末就有了对锅炉和压力容器规范化的要求。世纪最初的十年发生了近一万起锅炉爆炸造成了约一万人的死亡和约一万五千人的伤残。这些血的教训使人们对压力容器制造和安装的规范化有了更清醒的认识。年美国Massachusetts州继年和年两次灾难性的锅炉爆炸之后提出了世界上第一部锅炉制造和安装的法规。循着Massachusetts州的范例美国其他州和城市也制定出了蒸气锅炉制造、安装和检验的不同形式的法规或条例。不同州的技术规范缺乏一致性使得制造者无法制造出其他州可以接受的标准锅炉。制造出的锅炉不能运出州界一个州的有资格的锅炉检验员也得不到其他州的承认。要求订出蒸气锅炉和压力容器制造的标准规范的呼声越来越强烈为解决这个问题美国机械工程师协会于年成立了一个专门委员会后来被称为锅炉规范委员会。美国机械工程师协会非燃火压力容器规范对压力容器没有给出定义。压力容器一般是指装有加压流体用于完成某项过程的封闭容器例如贮罐、热交换器、蒸发器和反应器等。规范规定压力容器的范围还包括容器外的管线终止于管线端焊连接的第一条焊缝、螺栓连接的第一个法兰面、或类似连接的第一个有连接迹象的点或面。美国非燃火压力容器规范的短评U列出了超出规范权限的一些例外。这些例外是必须的还是已被解除不同地区有很大的不同。有关这方面的细节需要查阅“锅炉和压力容器的法规和条例说明书”或向有管辖权的地方管理机构咨询。非规范压力容器是指不能满足设计、制造、检验和鉴定规范的最低要求的容器。这些容器不打印规范代号除非有特殊的裁定不得在接受美国机械工程师协会规范的区域安装。目前许多国家都设置了压力容器规范的立法和管理机构颁布了各自的压力容器规范。在我国原国家劳动总局年颁布了《气瓶安全监察规程》年颁布了《蒸汽锅炉安全监察规程》年颁布了《压力容器安全监察规程》。.非燃火压力容器分类压力容器可以粗分为蒸汽锅炉和非燃火压力容器两大类型。两者在压力容器规范中一般都作为专项处理。后者是化学工程和工艺人员最常接触的这一部分将只介绍非燃火压力容器的分类。非燃火压力容器应用面广种类繁多。根据不同的侧重点可以有多种分类方法。压力容器按照其工艺功能可以划分为反应容器、换热容器、分离容器和贮运容器四个类型。()反应容器主要用来完成物料的化学转化。如反应器、发生器、聚合釜合成塔、变换炉等。()换热容器:主要用来完成物料和介质间的热量交换。如热交换器、冷却器、加热器、蒸发器、废热锅炉等。()分离容器:主要用来完成物料基于热力学或流体力学的组元或相的分离。如分离器、过滤器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔、萃取器等。()贮运容器:主要用来完成流体物料的盛装、贮存或运输。如贮罐、贮槽和槽车等。承受压力负荷是压力容器的显著特征。压力容器按照其设计压力p的大小可以划分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器四个类型。()低压容器:..MPap<.MPa()中压容器:.MPap<MPa()高压容器:MPap<MPa()超高压容器p>MPa。以上是压力容器根据其工艺功能或设计压力的单一的分类方法。从安全监察的角度应该综合考察压力容器设计压力的大小、其中物料的危险程度以及所属过程的复杂性和潜在危险进行压力容器的综合分类。我国原国家劳动总局在《压力容器安全监察规程》中提出了压力容器的综合分类方法。压力容器按照设计压力户和容积V结合容器的工艺功能和其中物料的危险性划分为以下三个类型:()第一类容器:非易燃或无毒介质的低压容器易燃或有毒介质的低压换热容器和低压分离容器。()第二类容器:pV<.kJ、剧毒介质的低压容器易燃或有毒介质的低压反应容器和低压贮运容器内径<m的低压废热锅炉一般介质的中压容器。()第三类容器:pV.kJ、剧毒介质的低压容器内径m的低压废热锅炉中压废热锅炉pV.kJ、易燃或有毒介质的中压反应容器pVkJ、易燃或有毒介质的低压贮运容器剧毒介质的中压容器高压或超高压容器。.结构材料的机械性能结构材料在受到外力作用时会有抵抗变形和断裂的能力。这种能力称为结构材料的机械性能。常规机械性能主要包括强度、塑性、韧性、硬度等。()强度常用的强度指标有抗拉强度、屈服强度、疲劳极限和屈强比。抗拉强度是指材料在拉伸试验中所能承受的最大表观应力。其数值等于拉断前试样所承受的最大拉力与试样原始横截面面积的比。屈服强度又称为屈服极限是指材料在拉伸实验中出现屈服现象时的应力值。所谓屈服是指材料在拉伸实验中载荷不再增加甚至有所减少时仍继续塑性变形的现象。如果有些材料屈服现象不明显或无屈服现象则以塑性变形量达到试样原始长度的%时的应力定义材料的屈服强度。疲劳极限是指材料经一千万次循环而不发生破坏的最大应力值。对于绝大多数压力容器即使频繁地开车和停车、加压和卸压、升温和降温循环次数也不至于达到十万次以上。故一般只是绘出材料的低周疲劳曲线采用低循环次数时不发生疲劳的最大应力值作为材料的疲劳极限。在压力容器强度计算时一般只是做疲劳分析以校核强度计算结果。屈强比是指屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比是表征材料机械性能的特征参数。屈强比越小发生脆性破坏的可能性越小。但屈强比太小材料的强度水平就不能充分发挥。屈强比越大承载能力越强但塑性下降容器易发生脆性破坏。()塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性形变的能力。代表塑性指标的是延伸率和端面收缩率。延伸率这一塑性指标并不反映在强度计算中但和制造过程中的冷加工和焊接等关系密切从而和压力容器的使用安全直接相关。延伸率低在锤击、剪切、冷卷、冲压等冷操作和焊接时可能产生裂纹甚至脆性断裂使运行中的容器塑性贮备的安全性降低。()韧性韧性又称为冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷的能力。从能量观点认为材料在变形过程中当吸收的能量达到某一数值时便发生断裂利用断裂前吸收的能量的大小来衡量材料的韧性。材料的韧性用锤击一定形状缺口试样的冲击功来表示。压力容器用钢材在满足强度要求并具有良好塑性的情况下有时(特别是在低温下)仍不可避免脆断故对压力容器用钢还要有韧性要求。()硬度硬度是指材料抵抗硬物侵入的能力。由于测定方法不同表示硬度指标

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