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1、化工过程设计概论化工设计化工设计第第7章章 化工过程分析化工过程分析,平安平安工程与工程与生态工业系统生态工业系统王静康王静康 教授教授化工过程设计概论第7章 化工过程分析,平安工程与生态工业系统 教材依据教材依据本本“化工设计化工设计”教材教材(496(496页页)：是高等教化：是高等教化十五十五、十二十二.五五国家级规划教材国家级规划教材,希望同学课下参考教材学习。希望同学课下参考教材学习。第一节第一节 系统牢靠性与牢靠度分析系统牢靠性与牢靠度分析 其次节其次节 平安性与损失的预防平安性与损失的预防 第三节第三节 风险性分析与评估风险性分析与评估 第四节第四节 工业系统平安工程工业系统平安
2、工程 第五节第五节 化工厂平安设计概述化工厂平安设计概述 第六节第六节 单元操作的绿色环保措施单元操作的绿色环保措施 第七节第七节 工业生态系统工业生态系统 第八节第八节 产品生命周期分析与评价产品生命周期分析与评价化工过程设计概论第五节 化工厂平安设计概述一、一、工厂的定位、工厂的定位、选选址和布局址和布局二、二、化工工化工工艺设计艺设计三、三、化工化工单单元区域元区域规规划划四、四、压压力容器的力容器的设计设计、制造和、制造和检验检验五、五、化工装置化工装置维护维护六、六、公用工程公用工程设设施平安施平安化工过程设计概论3.防护危急的措施对于全部上述两级危急，可设置三道防护线。(1)第一道
3、防护线：为了解决一级危急，并防止二级危急的发生。在工厂的布局和规划中可考虑：依据主导风的风向，把火源置于易燃物质可能释放点的上风侧；为人员、物料和车辆的流淌供应充分的通道等。一、工厂的定位、选址和布局化工过程设计概论(2)其次道防护线：当二级危急发生时，将人身和财产损失降至最小程度。在工厂的选址和规划方面可考虑：把最危急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等。(3)第三道防护线：发生人身损害事故时，供应有效的急救和医疗设施，使受到损害的人员得到快速救治。一、工厂的定位、选址和布局化工过程设计概论（二）、工厂的定位问题工厂定位，面对的是一个支配中的工厂和一个现实的环境，要解决的
4、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：(1)有原料、燃料供应和产品销售的良好的流通条件；(2)有储运、公用工程和生活设施等方面良好的协作环境；(3)靠近水量足够，水质优良的水源；(4)有便利的交通条件；(5)有良好的工程地址和水文气象条件。化工过程设计概论工厂应避开定位在下列地区：(1)震断层地区和基本烈度9度以上的地震区；(2)厚度较大的III级自重湿陷性黄土地区；(3)易遭遇洪水、泥石流、滑坡等危害的山区；(4)有开采价值的矿藏地区；(5)对机场、电台等运用有影响的地区；(6)国家规定的历史文物、生物爱护和风景巡游地区；(7)城镇等人口密集的地区。需留意的是，工厂定位除考
5、虑以上因素外，考虑的更多的是经济问题。化工过程设计概论（三）、工厂选址的平安问题工厂选址仍旧是一种工厂相对于其环境的定位问题。考虑如下方面：隔开距离，把厂址选择在一个孤立地区。假如客观条件不允许，可以依据主导风，把工厂置于社区的下风区。工厂的高建、构筑物要留有确定的间距，防止物体砸伤行人、汽车司乘人员或接近的设施。工厂产生的废液要经处理后排放。工厂的出入口要特别当心，避开严峻的交通事故，或车辆离开高速马路冲入工厂。接近有释放毒性或易燃气体的工厂，则建在其上风侧。保证有足够的水源。最好旁边有河流、湖泊，至少保证有消防管网。地形方面，厂区内不应有低凹地，否则会形成毒性或易燃蒸气或液体的积聚。化工过
6、程设计概论（四）、工厂布局的平安问题工厂布局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淌路途。化工厂布局普遍接受留有确定间距的区块化的 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；协助生产区；管理区。对各个区块的平安要求如下。化工过程设计概论1工艺装置区加工单元可能是工厂中最危急的区域。应当汇合这个区域的一级危 险，找出毒性或易燃物质、高温、高压、火源等。有很多机械设 备，简洁发生故障，加上人员可能的失误而使其充溢危急。在平安方面惟一可取之处是过程单元人员较少。
7、化工过程设计概论加工单元集中分布加工单元应当离开工厂边界确定的距离，应当是加工单元应当离开工厂边界确定的距离，应当是集中而不是分散的分布。集中而不是分散的分布。后者有助于加工单元作为危急区的识别，杜绝或后者有助于加工单元作为危急区的识别，杜绝或削减无关车辆的通过。削减无关车辆的通过。要留意厂区内主要的火源和主要的人口密集区，要留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，加工单元应由于易燃或毒性物质释放的可能性，加工单元应当置于上述两者的下风区。当置于上述两者的下风区。过程区和主要罐区有交互危急性，两者最好保持过程区和主要罐区有交互危急性，两者最好保持相当的距离。相当
8、的距离。区域不宜太拥挤。因为不同过程单元间可能会有区域不宜太拥挤。因为不同过程单元间可能会有交互危急性。过程单元间要隔开确定的距离。交互危急性。过程单元间要隔开确定的距离。化工过程设计概论过程单元本身的平安评价操作温度；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；救火或其它紧急操作须要的空间。化工过程设计概论2.罐区贮存容器，比如贮罐，是须要特殊重视的装置。每个这样的容器都是巨 大的能量或毒性物质的贮存器。容器能够释放出大量的毒性或易燃性的物质，需置于工厂的下风区域。贮罐应当安置在工厂中的专 用区域，加强其作为危急区的标识，使通过该区域的无关车辆降至最低限度
9、。罐区和办公室、协助生产区之间要保持足够的平安距离。罐区和工艺装 置区、马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。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。化工过程设计概论3公用设施区公公用用设设施施区区应应当当远远离离工工艺艺装装置置区区、罐罐区区和和其其他他危危急急区区，以以便遇到紧急情便遇到紧急情 况时仍能保证水、电、汽等的正常供应。况时仍能保证水、电、汽等的正常供应。由由厂厂外外进进入入厂厂区区的的公公用用工工程程干干管管，也也不不应应当当通通过过危危急急区区，假如难以避开，则应当实行必要的爱护措施。假如难以避
10、开，则应当实行必要的爱护措施。工厂布局应当尽量削减地面管线穿越道路。工厂布局应当尽量削减地面管线穿越道路。在在一一些些装装置置中中配配置置回回路路管管线线。回回路路系系统统的的任任何何一一点点出出现现故故障障即即可可关关闭闭阀阀门门将将其其隔隔离离开开，并并把把装装置置与与系系统统的的其其余余部部分分接接通通。必必需需保保证证这这些些装装置置至至少少能能从从两两个个方方向向接接近近工工厂厂关关节节点点。特特殊殊是是在在紧紧急急状状况况下下，这这些些装装置置的的管管线线对对于于如如消消防防用用水水、电电力或加热用蒸汽等的传输必需是回力或加热用蒸汽等的传输必需是回 路的。路的。锅炉设备和配电设备设
11、置在易燃液体设备的上风区域。锅炉设备和配电设备设置在易燃液体设备的上风区域。化工过程设计概论锅炉房和泵站应当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殊留意。高架的间隙应留有如起重机等 重型设备的便利通路，削减遇到的危急。管路确定不能穿过围堰区，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、马路或 其他公用设施。大型冷却塔会产生很大噪声，应当与居民区有较大的 距离。化工过程设计概论4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
12、可能会发生毒性或易燃物的溅洒，装卸设施应当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常见的设施，不得设在必需通 过工艺装置区和罐区的地带，与居民区、马路和铁路要保持确定的平安 距离。化工过程设计概论5.协助生产区修理车间和探讨室要远离工艺装置区和罐区。修理车间是重要的火源，同时人员密集，应当置于工厂的上风区域。探讨室与其他管理 机构，干脆连接是不恰当的。废水处理装置是工厂各处流出的毒性或易燃物汇合的终点，应当置于工 厂的下风远程区域。高温煅烧炉的平安考虑呈现出冲突。作为火源，应将其置于工厂的上风 区，但是严峻的操作失误会使煅烧炉喷射出相当量的易燃物，对此则应
13、将其 置于工厂的下风区。作为折中方案，可以把锻烧炉置于工厂的侧面风区域。与其他设施隔开确定的距离也是可行的方案。化工过程设计概论6管理区主要办事机构应当设置主要办事机构应当设置 在工厂的边缘区域，在工厂的边缘区域，并尽可能与工厂的危急区隔离。并尽可能与工厂的危急区隔离。首首 先，销售和供应人员以及必需到工厂办先，销售和供应人员以及必需到工厂办理业务的其他人员，没有必要进入厂区。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急的性质和区因为这些人员不熟悉工厂危急的性质和区域，而他们的一般习惯如在危域，而他们的一般习惯如在危 险区无意中吸险区无意中吸烟，就有可能危及工厂的平安。烟，就
14、有可能危及工厂的平安。其次，办公室人员的密度在全厂可能是最其次，办公室人员的密度在全厂可能是最大的，把这些人员和危急分开会改善工厂的大的，把这些人员和危急分开会改善工厂的平安状况。平安状况。化工过程设计概论二、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。这些流程图经过提炼 和修改，最终成为绘制管线配置图、平面图、设备图等的基础。因为早期阶 段做出的确定严峻影响着后续阶段，在流程图绘制中始终都要对平安赐予充 分留意。在设计程序中，凭借文献、试验室试验和中试工厂模试的有关资料进行设计是惯常的做法。化工过程设计概论大型石油化工厂照片大型石油化工厂照片车间内车间内计算机辅
15、助控制室计算机辅助控制室精馏塔精馏塔顶部顶部底部底部H=102米米化工过程设计概论 带限制点工艺流程图带限制点工艺流程图 碳八分别工段碳八分别工段混二混二甲苯甲苯乙苯乙苯化工过程设计概论丙烷、丁烷回丙烷、丁烷回收装置的管道收装置的管道仪表图仪表图化工过程设计概论设备平面、立面佈置图设备平面、立面佈置图化工过程设计概论 工艺流程图的绘制是从基本的过程计算起先的。由于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 间内部的平安操作及其对其他子区间平安的影响都要进行分析。便利的子区 间划分是：(1)反应(确定整个系统的动力学)；(2)分别，如蒸
16、馏、吸取、吸附、液体萃取、(3)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、主要物流路途和限制点。对于正常操作预期的主要温度和压力，物料的流淌和组成以及主要设备的设计实力都做了说明。化工过程设计概论（二）、管线配置图管线配置图是指管路和仪表的线路图，又称工程线路图，是设计和施工的基本工作文件，一般包括：(1)开启、关闭、紧急和一般操作须要的全部过程设施，如阀门、盲板、可移动的柱塞等；(2)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(3)物流的方向；(4)主要过程和起始管路的识别；(5)全部仪表、限制点和有仪表失灵显示功能的连锁装置；化工过程
17、设计概论(6)全部设备的主要尺寸和负荷；(7)容器、反应器的操作和设计温度(8)装置的标高；(9)释放阀、平安膜等的设定压力；(10)排水要求；(11)必要时要有管路配置的特殊备忘录（二）、管线配置图化工过程设计概论（三）、过程物料的平安评价过程物料的选择，应当就物料的物性和危急性进行具体地评估，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协助物 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。过程协助物料 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，须要汇
18、编出过程物料的书目，记录下过程物料在全部过 程条件范围内的有关性质资料，作为过程危急评价和平安设计的重要依据。过程物料所需的典型资料如下。化工过程设计概论(1)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、危急性和防护措施、污染因素等(2)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、粘度、粒度及其分布、临界参数、膨胀系数、表面张力、Joule-Thompson系数等。（三）、过程物料的平安评价化工过程设计概论(3)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
19、产物等。(4)反应性资料 高速量热、差热分析、撞击试验、热稳定性、热分析试验、爆炸引起的爆炸扩散、自燃性等。(5)毒性资料 毒性危急等级、卫生标准、最大允许浓度、半致死浓度或半致死剂量等。(6)暴露作用 吸入或食入危急、呼吸刺激、皮肤刺激、眼睛刺激、皮肤或呼吸的敏感度等。(7)放射性资料 放射性测试，、中子射线暴露及其危害等 （三）、过程物料的平安评价化工过程设计概论（四）、过程路途的选择过程路途的选择是在工艺设计的最初阶段完成的。过程路途的平安评价，应当考虑过程本身是否具有潜在危急，以及为了特定目的把物料加入过 程，是否会增加危急。1有潜在危急的过程 这些过程一旦失去限制就有可能造成灾难性的
20、后果，如发生火灾、爆炸或毒性物质的释放等。有潜在危急的过程有：(1)爆炸、爆燃或强放热过程；(2)有粉尘或烟雾生成的过程；(3)在物料的爆炸范围或近区操作的过程；(4)在高温、高压或冷冻条件下操作的过程(5)含有易燃物料的过程；(6)含有不稳定化合物的过程；(7)含有高毒性物料的过程；(8)有大量贮存压力负荷能的过程 化工过程设计概论反应过程常因反应条件的 微小变更而偏离预期的反应途径，化学反应过程有较多的危急性。充分评估 反应过程的危急性，有助于改善过程的平安。(1)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 变更反应物的相对浓度或其他操作条件是否会使反应的危急程度减小。(2
21、)考虑混合、反应物和热源的低效配置、操作故障、设计失误、发生不须要的副反应、热量、反应器失控、结垢等引起的危急。2 2反应过程的平安分析反应过程的平安分析 化工过程设计概论(3)评价副反应是否生成毒性或爆炸性物质，是否会有危急垢层形成。(4)考察物料是否吸取空气中的水分变潮，表面粘附形成毒性或腐蚀性 液体或气体。(5)确定全部杂质对化学反应和过程混合物性质的影响。(6)确保结构材料彼此相容并与过程物料相容。(7)考虑过程中危急物质的积累，如可燃物、毒性中间体。(8)考虑催化剂行为的各个方面，如老化、中毒、粉碎、活化、再生等。化工过程设计概论3有潜在危急的操作 有些操作本身具有潜在危急。分析和确
22、定这些操作的危急件，是过程平安评价的重要内容。常见的有潜在危急的操作。(1)易燃或毒性液体或气体的蒸发和扩散；(2)可燃或毒性固体的粉碎和分散；(3)易燃物质或强氧化剂的雾化；(4)易燃物质和强氧化剂的混合；(5)危急化学品与惰性组分或稀释剂的分别(6)不稳定液体的温度或压力的上升。化工过程设计概论4间歇过程和连续过程比较 工艺设计中，须要在间歇过程和连续过程之间做出选择。大批量 的操作，从经济上考虑，连续过程更具有优势。间歇和连续两种过程方式的比较。(1)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。(2)间歇过程劳动强度较大，紧急状
23、况下操作者有较多的机会介入。连续过程更多地依靠自动限制；化工过程设计概论(3)间歇过程产物纯度简洁限制，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；(4)间歇过程有详尽的指令和操作规程，可以削减操作失误或设备的损坏。连续过程的容器或设备很少须要清洗，不稳态的物料输入也较少；(5)间歇过程有较长的暴露时间。在连续过程中，有潜在危急的中间体无须贮存加工。4 4间歇过程和连续过程比较间歇过程和连续过程比较化工过程设计概论（五）、工艺设计平安校核机械设计、过程和布局的微小变更都有可机械设计、过程和布局的微小变更都有可 能出现预想不能出现预想不到的问题。工厂和其中的各项设备是为了
24、维持操作参数允到的问题。工厂和其中的各项设备是为了维持操作参数允许范许范 围内的正常操作设计的，在开车、试车或停车操作中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，因而会有不同的条件，因而 会产生与正常操作的偏离。为了确会产生与正常操作的偏离。为了确保过程平安，有必要对设计和操作的每一保过程平安，有必要对设计和操作的每一 细微环节逐一枚细微环节逐一枚核。核。1 1物料和反应的平安校核。如查询过程物料的毒性，确物料和反应的平安校核。如查询过程物料的毒性，确定过程物料在全部过程条件下的有关物性，鉴别一切可能定过程物料在全部过程条件下的有关物性，鉴别一切可能的化学反应，对预期的和意
25、外的化学反应都要考虑。的化学反应，对预期的和意外的化学反应都要考虑。2 2过程平安的总体规范。如过程平安的总体规范。如 过程的规模、类型和整体过程的规模、类型和整体性是否恰当。过程的放大是否正确。性是否恰当。过程的放大是否正确。3 3非正常操作的平安问题非正常操作的平安问题 。如考虑偏离正常操作会发。如考虑偏离正常操作会发生什么状况，对于这些状况是否实行了适当生什么状况，对于这些状况是否实行了适当 的预防措施。的预防措施。化工过程设计概论课下作业课下作业1.化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容那些内容？2.简述化工过程系统工程模拟软件主要发展
26、趋势简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势参考文献：参考文献：David T.Allen,David R.Shonnard,Green Engineering:Environmentally Conscious Design of Chemical Processes,Prentice Hall PTR,Indiana,USA.,20012.Edited By:D J H CLARK,Handbook of Green Chemistry and Technology,Blackwell Publishing,Oxford,UK.,2002请同学们提前完成作业，在习题课上进行探讨。请同学们提前完成作业，在习题课上进行探讨。化工过程设计概论今日课现在结束，课下作业：化工过程设计的平安工程包括那些内容？试述化工厂工艺设计主要内容是什么？有不清晰的问题，可课下答疑。化工过程设计概论