03_化工厂设计

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1、第三章 化工厂设计和操作安全,第一节 工厂的定位、选址和布局 第二节 化工工艺设计 第三节 化工单元区域规划 第四节 压力容器的设计、制造和检验 第五节 化工装置维护 第六节 公用工程设施安全,第一节 工厂的定位、选址和布局,一、危险和防护的一般考虑 危险按潜在或直接的危害分一级危险和二级危险。 1.典型一级危险有： 有易燃物质存在 有火源存在 有压缩物质存在 人员失误的可能性 人员、物料和车辆在厂区的流动 由于蒸气云降低能见度等。,有热源存在 有富氧存在 有毒性物质存在 机械故障的可能性,对一级危险，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。,2.典型的二

2、级危险有 火灾 游离毒性物质的释放 跌伤,爆炸 倒塌 碰撞,二级危险是在一级危险失去控制后发展成的，会造成人身或财产的直接损失。,3.防护危险的措施对于所有上述两级危险，可设置三道防护线。(1)第一道防护线：为了解决一级危险，并防止二级危险的发生。 在工厂的布局和规划中可考虑： 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等。,(2)第二道防护线：当二级危险发生时，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等。 (3)第三道防护线：发生人身伤害事故时，提供有

3、效的急救和医疗设施，使受到伤害的人员得到迅速救治。,二、工厂的定位问题,工厂定位，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： (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)靠近水量充足，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。,工厂应避免定位在下列地区： (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)易遭受洪水、泥石流、滑坡等危害的山区； (4)有开采价值的矿藏地区；

4、(5)对机场、电台等使用有影响的地区； (6)国家规定的历史文物、生物保护和风景游览地区； (7)城镇等人口密集的地区。,需注意的是，工厂定位除考虑以上因素外，考虑的更多的是经济问题。,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。考虑如下方面： 隔开距离，把厂址选择在一个孤立地区。如果客观条件不允许，可以依据主导风，把工厂置于社区的下风区。 工厂的高建、构筑物要留有一定的间距，防止物体砸伤行人、汽车司乘人员或临近的设施。 工厂产生的废液要经处理后排放。 工厂的出入口要格外小心，避免严重的交通事故，或车辆离开高速公路冲入工厂。 临近有释放毒性或易燃气体的工厂，则建在其上

5、风侧。 保证有充足的水源。最好附近有河流、湖泊，至少保证有消防管网。 地形方面，厂区内不应有低洼地，否则会形成毒性或易燃蒸气或液体的积聚。,四、工厂布局的安全问题,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。,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

6、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。过程区和主要罐区有交互危险性，两者最好保持相当的距离。,1工艺装置区,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

7、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；救火或其它紧急操作需要的空间。,2.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。 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

8、关车辆降至最低限度。 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。 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。,3.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

9、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，减少碰到的危险。 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

10、离。,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。,5.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。 研究室与其他管理机构，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

11、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，可以把锻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。,6管理区,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

12、工厂的安全状况。,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。这些流程图经过提炼和修改，最后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。,工艺流程图的绘制是从基本的过程计算开始的。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： (1)反应(决定整个系统的动力学)

13、； (2)分离，如蒸馏、吸收、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； (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)所有仪表、控制点和有仪表失灵显示功能

14、的连锁装置；,(6)所有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、安全膜等的设定压力； (10)排水要求； (11)必要时要有管路配置的特殊备忘录。,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。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

15、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。,(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、危险性和防护措施、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。 (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产物等。,(4)反应性资料 高速量热、差热分析、撞击实验、热稳定性、热分析试验、爆炸引起的爆炸扩散、自燃

16、性等。 (5)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。 (6)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。 (7)放射性资料 放射性测试，、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。 1有潜在危险的过程 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： (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。,2反应过程的安全分析 反应过程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。 (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。 (2)考虑混合、反应物和热源的低效配置、操作故障、设计失误、发生不需要的副反应、热量、反应器失控、结垢等引起的危险。,