化工工藝設(shè)計(jì)

1、化工工藝設(shè)計(jì)化工工藝設(shè)計(jì)是化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、順利生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)和管理手段?；?工工藝的設(shè)計(jì)主要分以下五個(gè)方面，工藝流程圖、管線配置圖、過程物料 的安全評(píng)價(jià)、過程路線的選擇、工藝設(shè)計(jì)安全校核等。一、工藝流程圖工藝流程圖繪制是化工廠設(shè)計(jì)初始階段的工作。這些流程線圖經(jīng)過提 煉和修改，最后成為管線配置圖、平面圖、設(shè)備圖等繪制的基礎(chǔ)。因?yàn)樵?期階段做出的決定嚴(yán)重影響著后續(xù)階段，在流程圖繪制中始終都要對(duì)安全 給予充分注意。在設(shè)計(jì)程序中，憑借文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和中試工廠模試的有關(guān)資料進(jìn) 行設(shè)計(jì)是慣常的做法。從放大設(shè)計(jì)到滿負(fù)荷的工廠，工藝設(shè)計(jì)者需要考慮 已經(jīng)研討過的工藝過程和操作中的許多放大問題：(1) 工業(yè)原

2、料和不太純的化學(xué)品的應(yīng)用；(2) 傳質(zhì)、傳熱和物質(zhì)傳遞方法的放大效應(yīng) ；(3) 不同停留時(shí)間的影響；(4) 原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品貯存量的影響；(5) 連續(xù)操作對(duì)殘余物積累的影響；(6) 結(jié)構(gòu)材料差異的影響；(7) 操作監(jiān)控等級(jí)差異與較高程度自動(dòng)控制的應(yīng)用。如果操作方式由零批或間歇變化為完全連續(xù)，則需要做更多更詳盡的 考慮。工藝流程圖的繪制是從基本的過程計(jì)算幵始的。過程每一階段的設(shè)計(jì) 都必須滿足安全要求，一切可能的危險(xiǎn)都必須鑒別和估算出來，將其排除 或采取預(yù)防措施對(duì)其進(jìn)行限制。但是，過程是高度整體化的，過程的每一 步驟都影響著其他步驟的操作。所以，過程可以劃分為若干個(gè)子區(qū)間，對(duì) 每一子區(qū)間內(nèi)部的

3、安全操作與其對(duì)其他子區(qū)間安全的影響都要進(jìn)行分析。 方便的子區(qū)間劃分是：(1) 反應(yīng)(決定整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué))；(2) 分離，如蒸餾、吸收、吸附、液體萃取、過濾、干燥、粉碎等(3) 貯存，如固體、液體和氣體物料的貯存。工藝流程圖是描述過程的主要文件，它表示出了主要設(shè)備、主要物流 路線和控制點(diǎn)。對(duì)于正常操作預(yù)期的主要溫度和壓力，物料的流動(dòng)和組成 以與主要設(shè)備的設(shè)計(jì)能力都做了說明。二、管線配置圖管線配置圖是指管路和儀表的線路圖，又稱作工程線路圖，是設(shè)計(jì)和 施工的基本工作文件，一般包括：(1) 幵啟、關(guān)閉、緊急和普通操作需要的所有過程設(shè)施，如閥門、盲板、可移動(dòng)的柱塞等；(2) 施工材料的鑒定序號(hào)和鑒定人

4、，每條管路的直徑和絕熱要求；(3) 物流的方向；(4) 主要過程和起始管路的識(shí)別；(5) 所有儀表、控制點(diǎn)和有儀表失靈顯示功能的連鎖裝置；(6) 所有設(shè)備的主要尺寸和負(fù)荷；(7) 容器、反應(yīng)器的操作和設(shè)計(jì)溫度、壓力；(8) 裝置的標(biāo)高；(9) 釋放閥、安全膜等的設(shè)定壓力；(10) 排水要求；(11) 必要時(shí)要有管路配置的特殊備忘錄。三、過程物料的安全評(píng)價(jià)過程物料的選擇，應(yīng)該就物料的物性和危險(xiǎn)性進(jìn)行詳細(xì)地評(píng)估，對(duì)一 切可能的過程物料做總體考慮。過程物料可以劃分為過程內(nèi)物料和過程輔 助物料兩大類型。過程內(nèi)物料是指從原料到產(chǎn)品的整個(gè)工藝流程線上的物 料，如原料、催化劑、中間體、產(chǎn)物、副產(chǎn)物、溶劑、添

5、加劑等。而過程 輔助物料是指實(shí)現(xiàn)過程條件所用的物料，如傳熱流體、重復(fù)循環(huán)物、冷凍 劑、滅火劑等。在過程設(shè)計(jì)中，需要匯編出過程物料的目錄，記錄下過程物料在全部 過程條件范圍內(nèi)的有關(guān)性質(zhì)資料，作為過程危險(xiǎn)評(píng)價(jià)和安全設(shè)計(jì)的重要依 據(jù)。過程物料所需的典型資料如下。(1) 一般性說明資料物料名稱和別名、分子結(jié)構(gòu)式和相對(duì)分子質(zhì)量、物理狀態(tài)、純度、外 觀、氣味或味道、腐蝕性、主要用途、危險(xiǎn)性和防護(hù)措施、污染因素等。(2) 基礎(chǔ)物性資料蒸氣密度、相對(duì)密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度和互溶性、黏度、粒度與 其分布、臨界參數(shù)、膨脹系數(shù)、表面張力、系數(shù)等。(3) 易燃性資料閃點(diǎn)、著火點(diǎn)、燃燒極限、自熱、蒸氣壓。介電常數(shù)，、

6、電阻、粉塵 爆炸性質(zhì)、火災(zāi)中的毒性熱分解產(chǎn)物等。(4) 反應(yīng)性資料高速量熱、差熱分析、撞擊實(shí)驗(yàn)、熱穩(wěn)定性、熱分解試驗(yàn)、爆燃引起 的爆炸擴(kuò)散、自燃性等。(5) 毒性資料毒性危險(xiǎn)等級(jí)、衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、最大允許濃度、半致死濃度或半致死劑量 等。(6) 暴露作用吸入或食入危險(xiǎn)、呼吸刺激、皮膚刺激、眼睛刺激、皮膚或呼吸的敏 感度等。(7) 放射性資料放射性測(cè)試，a、B、丫、中子射線暴露與其危害等。四、過程路線的選擇過程路線的選擇是在工藝設(shè)計(jì)的最初階段完成的。過程路線的安全評(píng) 價(jià)，應(yīng)該考慮過程本身是否具有潛在危險(xiǎn)，以與為了特定目的把物料加入 過程，是否會(huì)增加危險(xiǎn)。1.有潛在危險(xiǎn)的過程有一些化學(xué)過程具有潛在的危險(xiǎn)

7、。這些過程一旦失去控制就有可能造 成災(zāi)難性的后果，如發(fā)生火災(zāi)、爆炸或毒性物質(zhì)的釋放等。有潛在危險(xiǎn)的 過程有：(1) 爆炸、爆燃或強(qiáng)放熱過程；(2) 有粉塵或煙霧生成的過程；(3) 在物料的爆炸范圍或近區(qū)操作的過程；(4) 在高溫、高壓或冷凍條件下操作的過程；(5) 含有易燃物料的過程；(6) 含有不穩(wěn)定化合物的過程(7) 含有高毒性物料的過程；(8) 有大量貯存壓力負(fù)荷能的過程。2反應(yīng)過程的安全分析實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化是化工生產(chǎn)的基本任務(wù)。物質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)常因反應(yīng)條件 的微小變化而偏離預(yù)期的反應(yīng)途徑，化學(xué)反應(yīng)過程有較多的危險(xiǎn)性。充分 評(píng)估反應(yīng)過程的危險(xiǎn)性，有助于改善過程的安全。(1) 對(duì)潛在的不穩(wěn)定的反

8、應(yīng)和副反應(yīng)，如自燃或聚合等進(jìn)行考察，考慮改變反應(yīng)物的相對(duì)濃度或其他操作條件是否會(huì)使反應(yīng)的危險(xiǎn)程度減小。(2) 考慮較差混合、反應(yīng)物和熱源的低效配置、操作故障、設(shè)計(jì)失誤、 發(fā)生不需要的副反應(yīng)、熱點(diǎn)、反應(yīng)器失控、結(jié)垢等引起的危險(xiǎn)。(3) 評(píng)價(jià)副反應(yīng)是否生成毒性或爆炸性物質(zhì)，是否會(huì)有危險(xiǎn)垢層形成。(4) 考察物料是否吸收空氣中的水分變潮，表面粘附形成毒性或腐蝕性液體或氣體。(5) 確定所有雜質(zhì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)和過程混合物性質(zhì)的影響。(6) 確保結(jié)構(gòu)材料彼此相容并與過程物料相容。(7) 考慮過程中危險(xiǎn)物質(zhì)，如痕量可燃物、不凝物、毒性中間體或副產(chǎn) 物的積累。(8) 考慮催化劑行為的各個(gè)方面，如老化、中毒、粉碎

9、、活化、再生等3. 有潛在危險(xiǎn)的操作完成每一過程都要實(shí)施一些具體的操作，有些操作本身具有潛在的危險(xiǎn)。分析和確定這些操作的危險(xiǎn)性，是過程安全評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。下面列 出了一些常見的有潛在危險(xiǎn)的操作。(1) 易燃或毒性液體或氣體的蒸發(fā)和擴(kuò)散 ；(2) 可燃或毒性固體的粉碎和分散；(3) 易燃物質(zhì)或強(qiáng)氧化劑的霧化；(4) 易燃物質(zhì)和強(qiáng)氧化劑的混合；(5) 危險(xiǎn)化學(xué)品與惰性組分或稀釋劑的分離；(6) 不穩(wěn)定液體的溫度或壓力的升高。4. 間歇過程和連續(xù)過程比較在工藝設(shè)計(jì)中，需要在間歇過程和連續(xù)過程之間做出選擇。對(duì)于大批 量的操作，從經(jīng)濟(jì)上考慮，后者更具有優(yōu)勢(shì)。然而，單一或復(fù)合物流的抉 擇嚴(yán)重影響著過程安全

10、、個(gè)別裝置的載荷以與生產(chǎn)中斷的潛能。對(duì)于間歇 反應(yīng)，往往需要在兩個(gè)連續(xù)批次之間清洗反應(yīng)器，這可能會(huì)由于清洗準(zhǔn)備 不充分、清洗程序不完善或沒有完全移除清洗液，而引入新的危險(xiǎn)。下面 就間歇和連續(xù)兩種過程方式進(jìn)行具體比較。(1) 間歇過程各操作單元之間易于隔絕，單元設(shè)備過程物料持有量較 大。連續(xù)過程各操作單元連通，過程物料持有量較少。(2) 間歇過程勞動(dòng)強(qiáng)度較大，緊急狀態(tài)下操作者有較多的機(jī)會(huì)介入。連續(xù)過程更多地依靠自動(dòng)控制。(3) 間歇過程產(chǎn)物純度容易控制，過程物料易于識(shí)別。連續(xù)過程不穩(wěn)狀態(tài)或周期性波動(dòng)(如幵車或停車)較少。(4) 間歇過程有詳盡的指令和操作規(guī)程，可以減少操作失誤或設(shè)備的損壞。連續(xù)過

11、程的容器或設(shè)備很少需要清洗，不穩(wěn)態(tài)的物料輸入也較少。(5) 間歇過程有較長的暴露時(shí)間。 在連續(xù)過程中，有潛在危險(xiǎn)的中間體 無需貯存直接加工。五、工藝設(shè)計(jì)安全校核工藝設(shè)計(jì)必須滿足安全要求。機(jī)械設(shè)計(jì)、過程和布局的微小變化都有 可能出現(xiàn)預(yù)想不到的問題。工廠和其中的各項(xiàng)設(shè)備是為了維持操作參數(shù)允 許范圍內(nèi)的正常操作設(shè)計(jì)的， 在幵車、試車或停車操作中會(huì)有不同的條件， 因而會(huì)產(chǎn)生與正常操作的偏離。為了確保過程安全，有必要對(duì)設(shè)計(jì)和操作 的每一細(xì)節(jié)逐一校核。1. 物料和反應(yīng)的安全校核(1) 鑒別所有危險(xiǎn)的過程物料、產(chǎn)物和副產(chǎn)物，收集各種過程物料的物質(zhì)信息資料。(2) 查詢過程物料的毒性，鑒別進(jìn)入機(jī)體的不同入口模

12、式的短期和長期 影響，以與不同的允許暴露限度。(3) 考察過程物料氣味和毒性之間的關(guān)系，確定物料氣味是否令人厭 倦。(4) 鑒定工業(yè)衛(wèi)生識(shí)別、鑒定和控制所采用的方法。(5) 確定過程物料在所有過程條件下的有關(guān)物性，查詢物性資料的來源和可靠性。(6) 確定生產(chǎn)、加工和貯存各個(gè)階段的物料量和物理狀態(tài)，將其與危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)。(7) 確定產(chǎn)品從工廠到用戶的運(yùn)輸中，對(duì)倉儲(chǔ)人員、承運(yùn)員、鐵路工人、公眾等呈現(xiàn)的危險(xiǎn)。(8) 向過程物料的供應(yīng)商咨詢有關(guān)過程物料的性質(zhì)和特征，貯存、加工和應(yīng)用安全方面的知識(shí)或信息。(9) 鑒別一切可能的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)預(yù)期的和意外的化學(xué)反應(yīng)都要考慮。(10) 考察反應(yīng)速率和有關(guān)變量的相互

13、依賴關(guān)系，確定阻止不需要的反 應(yīng)、過度熱量產(chǎn)生的限度。(11) 鑒別不穩(wěn)定的過程物料，確定其對(duì)熱、壓力、振動(dòng)和摩擦暴露的 危險(xiǎn)。(12) 考察改變反應(yīng)物的相對(duì)濃度或其他反應(yīng)操作條件，可否降低反應(yīng) 器的危險(xiǎn)。2. 過程安全的總體規(guī)范(1) 過程的規(guī)模、類型和整體性是否恰當(dāng)。(2) 鑒定過程的主要危險(xiǎn)， 在流程圖和平面圖上標(biāo)出危險(xiǎn)區(qū)?？紤]選擇特殊過程路線或其他設(shè)計(jì)方案是否更符合安全。(3) 考慮改變過程順序是否會(huì)改善過程安全。所有過程物料是否都是必 須的，可否選擇較小危險(xiǎn)的過程物料。(4) 考慮物料是否有必要排放， 如果有必要，排放是否安全以與是否符 合規(guī)范操作和環(huán)保法規(guī)。(5) 考慮能否取消某個(gè)

14、單元或款項(xiàng)并改善安全。(6) 校核過程設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)，正常條件的說明是否充分， 所有有關(guān)的參 數(shù)是否都被控制。(7) 操作和傳熱設(shè)施的設(shè)計(jì)、安裝和控制是否恰當(dāng)，是否減少了危險(xiǎn)的發(fā)生。(8) 過程的放大是否正確。(9) 過程能否自動(dòng)防止關(guān)于熱、壓力、火險(xiǎn)和爆炸的過程故障。(10) 考慮是否采用了二次概率設(shè)計(jì)。3. 非正常操作的安全問題(1) 考慮偏離正常操作會(huì)發(fā)生什么情況，對(duì)于這些情況是否采取了適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。(2) 當(dāng)工廠處于幵車、停車或熱備用狀態(tài)時(shí)，能否迅速暢通而又確保安 全。(3) 在重要緊急狀態(tài)下，工廠的壓力或過程物料的負(fù)載能否有效而安全 地降低。對(duì)于一經(jīng)超出必須校正的操作參數(shù)的極限值是否已知或測(cè)得，如溫度、壓力、流速、濃度等的極限值。(5) 工廠停車時(shí)超出操作極限的偏差到何種程度，是否需要安裝報(bào)警或自動(dòng)斷幵裝置。(6) 工廠幵車和停車時(shí)物料正常操作的相態(tài)是