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1、崔克请崔克请 主编主编化学工程出版社化学工程出版社20072007年第年第1 1版版化工单元安全运行技术化工单元运行安全技术是整个化工安全生产体化工单元运行安全技术是整个化工安全生产体系的重要组成部分，由于化学介质，特别是具系的重要组成部分，由于化学介质，特别是具有危险特性的化学品在不同工艺及技术装备条有危险特性的化学品在不同工艺及技术装备条件下运行、变化，因此化工单元运行中危险特件下运行、变化，因此化工单元运行中危险特性更加复杂和多变。性更加复杂和多变。化工单元运行安全技术化工单元运行安全技术收集和总结了当今收集和总结了当今国内先进的生产技术与工艺，系统分析了化工国内先进的生产技术与工艺，系
2、统分析了化工典型设备工艺安全、流体输送安全、化工生产典型设备工艺安全、流体输送安全、化工生产管路安全、非均相分离过程安全、加热及传热管路安全、非均相分离过程安全、加热及传热过程安全、蒸馏及精馏过程安全、气体吸收过过程安全、蒸馏及精馏过程安全、气体吸收过程安全以及干燥、蒸发、结晶、萃取、制冷、程安全以及干燥、蒸发、结晶、萃取、制冷、吸附过程安全等。在总结事故教训的基础上，吸附过程安全等。在总结事故教训的基础上，探索运行中必需的安全生产条件和化工装置单探索运行中必需的安全生产条件和化工装置单元安全运行的规律。元安全运行的规律。 化工单元运行安全技术化工单元运行安全技术旨在使其能对旨在使其能对从事化
3、学工业、石油化学工业以及相关单元运从事化学工业、石油化学工业以及相关单元运行的其他工业的生产、科研、设计、安全、监行的其他工业的生产、科研、设计、安全、监察等专业人员和管理人员提供实用的参考资料，察等专业人员和管理人员提供实用的参考资料，也可作为高等院校安全工程专业以及工业系统也可作为高等院校安全工程专业以及工业系统安全技术培训的教学用书和参考资料。安全技术培训的教学用书和参考资料。 1、化工生产安全运行及控制、化工生产安全运行及控制1.11.1安全生产与运行操作安全生产与运行操作1.1.1工业生产过程操作工业生产过程操作现代工业生产过程存在的安全操作与控制问题：现代工业生产过程存在的安全操作
4、与控制问题：开车、停车开车、停车工艺流程及设备间切换工艺流程及设备间切换工艺运行中安全控制工艺运行中安全控制间歇生产过程操作间歇生产过程操作生产负荷的改变生产负荷的改变异常状态下的紧急处理异常状态下的紧急处理工业生产过程的安全要求工业生产过程的安全要求对上述运行过程按一定的顺序操作对上述运行过程按一定的顺序操作其他要求：其他要求：监视和管理整个生产过程监视和管理整个生产过程对生产过程进行规划、调度和决策对生产过程进行规划、调度和决策生产过程的异常现象记录，事故案例的积累以及安生产过程的异常现象记录，事故案例的积累以及安全操作与控制措施的总结全操作与控制措施的总结1.1.2 1.1.2 影响工业
5、生产的安全因素影响工业生产的安全因素一个工厂、一个生产流程、一个生产装置，均一个工厂、一个生产流程、一个生产装置，均需按产品品质和数量的要求、原材料供应及公需按产品品质和数量的要求、原材料供应及公共设施情况，由工艺设备组建一定的工艺流程共设施情况，由工艺设备组建一定的工艺流程而后组织生产。而后组织生产。工艺流程：主要是针对生产，为合理使用各种工艺流程：主要是针对生产，为合理使用各种机械，提高机械使用率，提高总体生产力的一机械，提高机械使用率，提高总体生产力的一个工艺技术安排。个工艺技术安排。生产过程中各种扰动、设备特性的改变、操作生产过程中各种扰动、设备特性的改变、操作的稳定均对安全生产产生影
6、响。的稳定均对安全生产产生影响。影响工业生产的安全因素：影响工业生产的安全因素：原材料的组成变化原材料的组成变化产品性能与规格的变化产品性能与规格的变化生产过程中设备的安全可靠性生产过程中设备的安全可靠性装置与装置、工厂与工厂之间的关联性装置与装置、工厂与工厂之间的关联性生产设备特性的漂移生产设备特性的漂移控制系统失灵控制系统失灵现代工业生产过程，能量平衡接近于临界状态，现代工业生产过程，能量平衡接近于临界状态，一个局部的扰动，就会在整个生产过程传播开一个局部的扰动，就会在整个生产过程传播开来，给安全生产带来威胁。来，给安全生产带来威胁。蝴蝶效应：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，可能在美国蝴蝶效应：一
7、只蝴蝶在巴西扇动翅膀，可能在美国得克萨斯州引起一场龙卷风。得克萨斯州引起一场龙卷风。在初始条件下的十分微小的变化，经过不断放大，在初始条件下的十分微小的变化，经过不断放大，对事物未来会造成极其巨大的影响与后果。对事物未来会造成极其巨大的影响与后果。1.1.3 1.1.3 影响工业生产过程控制的因影响工业生产过程控制的因素素从负反馈角度分析：测量的影响从负反馈角度分析：测量的影响一些生产过程的变量很难测定一些生产过程的变量很难测定技术的发展，使过去某些不可测变量变为可测变量技术的发展，使过去某些不可测变量变为可测变量间接测量：利用可测变量与相关模型，计算不可测间接测量：利用可测变量与相关模型，计
8、算不可测量的变量量的变量测不准原理：任何物体的一些成对的性质，比测不准原理：任何物体的一些成对的性质，比如位置和动量，不可能对两者同时精密测定。如位置和动量，不可能对两者同时精密测定。 1.2 1.2 工业过程自动化技术及安全控工业过程自动化技术及安全控制制1.2.1 自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展需要测定的参数：温度、压力、流量、液面需要测定的参数：温度、压力、流量、液面测量原理基本不变，测量手段变化迅速测量原理基本不变，测量手段变化迅速气动气动电动电动就地控制就地控制中央控制室中央控制室仪表屏操作仪表屏操作计算机操作站计算机操作站模拟信号模拟信号数字信号数字信号20世纪世纪50年
9、代：年代：电子管时代电子管时代多用气动控制，采用气动信号作为统一标准信号多用气动控制，采用气动信号作为统一标准信号电子管式的自动平衡记录仪电子管式的自动平衡记录仪就地式控制就地式控制20世纪世纪60年代：年代：晶体管取代电子管晶体管取代电子管开始用电动仪表开始用电动仪表计算机在生产过程中应用，实现直接数字控制计算机在生产过程中应用，实现直接数字控制（DDC-Directly Digital Comtrol)1.2.2 1.2.2 工业生产过程自动控制工业生产过程自动控制20世纪世纪70年代：年代：电动电动型仪表，统一标准信号：型仪表，统一标准信号：420mA集散型控制系统（集散型控制系统（DC
10、S-Distributed Control System)取代取代DDC控制系统控制系统可编程控制器广泛应用可编程控制器广泛应用20世纪世纪80年代至今：年代至今：计算机广泛应用计算机广泛应用DCS大量在工业控制中应用大量在工业控制中应用工业生产过程自动化、工厂自动化工业生产过程自动化、工厂自动化计算机集成制造技术（计算机集成制造技术（(CIMS-Contemporary Integrated Manufacturing Systems) )现场总线控制技术发展现场总线控制技术发展现场总线控制系统现场总线控制系统: （FCS:Fieldbus Control System)继集散控制系统（继集
11、散控制系统（DCS)后的新一代控制系统，后的新一代控制系统，它是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术它是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果。的发展成果。现场总线使得现场仪表、执行机构、控制室设现场总线使得现场仪表、执行机构、控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多参数的数字通信，为控制系统的全分布向、多参数的数字通信，为控制系统的全分布和全数字化运行奠定了基础。和全数字化运行奠定了基础。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的汽车生产线和旧的生产线遍，近两年国内新的汽车生
12、产线和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中生产线的输送系统集中生产线的输送系统 。随着技术的不断发展。随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。 电动阀是由电机的正反转带动阀门开或关的电动阀是由电机的正反转带动阀门开或关的气动阀是用压缩空气开关的
13、气动阀是用压缩空气开关的.气动门又分气开和气关门气动门又分气开和气关门:气开门就是有压缩空气并且气源充足时门打开气开门就是有压缩空气并且气源充足时门打开,无起源时门靠无起源时门靠弹簧关闭弹簧关闭;气关门是有压缩空气门被关闭气关门是有压缩空气门被关闭,气源消失门打开气源消失门打开.特点特点:气动门的优点就是开关迅速，且本质安全，不需另外气动门的优点就是开关迅速，且本质安全，不需另外再采取防爆措施再采取防爆措施. 原理原理:气动调节阀就是以压缩空气为动力源，以气缸为执行气动调节阀就是以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，并借助于电气阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀等器，并借助于电气阀门定位器、转换
14、器、电磁阀、保位阀等附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节，接收工业自动附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节，接收工业自动化控制系统的控制信号来完成调节管道介质的流量、压力、化控制系统的控制信号来完成调节管道介质的流量、压力、温度等各种工艺参数。温度等各种工艺参数。选用气开还是气关主要是从安全角度出发，即选用气开还是气关主要是从安全角度出发，即要考虑在控制阀上的信号一旦中断后，阀所处要考虑在控制阀上的信号一旦中断后，阀所处的位置是全开还是全关对装置安全更有利？的位置是全开还是全关对装置安全更有利？如果是全开更有利则选用气关，这样一旦失去如果是全开更有利则选用气关，这样一旦失去信号控制阀就处于
15、全开位置。反之，则选用气信号控制阀就处于全开位置。反之，则选用气开阀。开阀。 气动蝶阀气动法兰蝶阀气动对夹式蝶阀电动法兰蝶阀1.2.21.2.2工业生产自动控制工业生产自动控制为了使一个工业生产过程或一个企业为了使一个工业生产过程或一个企业 良好、高良好、高效地运行效地运行 ，都离不开对整个生产过程物料、能，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。时的检测和控制。生产计划生产计划 、生产调度、安全稳定地生产与操作、生产调度、安全稳
16、定地生产与操作等，都离不开自动化技术等，都离不开自动化技术 。企业生产过程管理与控制的递阶结构企业生产过程管理与控制的递阶结构由有关由有关 的生的生 产过程产过程 工艺工艺设设 备备 如容器如容器 、泵、泵 、机器、机器 、管、管 道道 等组成等组成 由生产过程工艺参数的测量由生产过程工艺参数的测量变送仪表、仪器、自动执行变送仪表、仪器、自动执行机构组成机构组成 。由计由计 算机算机(或或 DCS)和有和有关软件及控制算法等组成关软件及控制算法等组成用于自动监视和代替人工自动控制工业生产过程 乙最基本 的 自动化设备实 现 常规 控制 层 无法 做 到 的多 变 量 控制由计由计 算机算机(或
17、或 DCS)和有和有关软件及控制算法等组成关软件及控制算法等组成为先进控制层提供优化给定值 、优化控制轨迹或生产方案优化层 提供各种优 化 目标 或约束条件 常规控制：常规控制： 所谓常规控制是指采用经典的所谓常规控制是指采用经典的 PID (比例比例 十积分十积分 十微分十微分)控制算法或其他简单的控制控制算法或其他简单的控制算法，使工业生产过程的被控变量，在遭受到外来算法，使工业生产过程的被控变量，在遭受到外来扰动情况下，稳定地维持在预先的给定值上。扰动情况下，稳定地维持在预先的给定值上。这种控制系统最典型的是单回路这种控制系统最典型的是单回路 (单个参数的单个参数的控制控制)负反馈控制系
18、统负反馈控制系统 (或叫反馈控制回路或叫反馈控制回路)如果外来的扰动是可以测量的，则可组成单回路的反馈加如果外来的扰动是可以测量的，则可组成单回路的反馈加前馈控制系统前馈控制系统先进控制是对那些不同于常规单回路先进控制是对那些不同于常规单回路 PID控制，控制，并具有比常规并具有比常规 PID控制更好控制效果的控制策控制更好控制效果的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。略的统称，而非专指某种计算机控制算法。先进控制与常规先进控制与常规 控制关系控制关系1.31.3生产过程安全控制系统组成生产过程安全控制系统组成简单控制系统是最基本、最常见、应用最广泛简单控制系统是最基本、最常见、应用最
19、广泛的控制系统，约占控制回路的的控制系统，约占控制回路的80%以上。以上。简单控制系统的特点是结构简单，易于实现，简单控制系统的特点是结构简单，易于实现，适应性强。在简单控制系统的基础上适应性强。在简单控制系统的基础上 ，发展起，发展起各种复杂控制系统各种复杂控制系统 。在工业过程计算机集成控制系统中，也往往把在工业过程计算机集成控制系统中，也往往把它作为最低层的控制系统。它作为最低层的控制系统。自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的展起来的液位控制系统液位控制系统液位液位 h是需要控制的是需要控制的工艺变量，称为被控工艺变量，称为被控变量。变
20、量。 Qo为操纵变量为操纵变量进水量进水量Qi是造成被控是造成被控变量产生不期望波动变量产生不期望波动的原因，称为扰动的原因，称为扰动液位人工控制示意图液位人工控制示意图用眼睛观察液位计实际液位的指示值，并通用眼睛观察液位计实际液位的指示值，并通过神经系统告诉大脑过神经系统告诉大脑; 通过大脑对眼睛观测到的实际液位值与事先通过大脑对眼睛观测到的实际液位值与事先在大脑中储存好的希望值即给定值进行比较，在大脑中储存好的希望值即给定值进行比较，根据偏差的大小和方向，经过分析、思考，然根据偏差的大小和方向，经过分析、思考，然后根据操作经验发出命令后根据操作经验发出命令; 根据大脑发出的控制命令，通过手
21、去改变出根据大脑发出的控制命令，通过手去改变出水阀门开度，以改变水阀门开度，以改变 Q。来控制液位。来控制液位; 反复执行上述操作反复执行上述操作 ，直到将液位控制到所，直到将液位控制到所希望的数值上。希望的数值上。工艺控制流程图，它是用自控设计的文字符号和图形符号在工艺工艺控制流程图，它是用自控设计的文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程流程图上描述生产过程 自动控制的原理图。自动控制的原理图。图中，小圆圈表示某些图中，小圆圈表示某些 自动化仪表自动化仪表 ，圆内由两位以上字母，圆内由两位以上字母 ，第一位字母表示被测量变量，后继字母表示仪表的功能。第一位字母表示被测量变量，后继字母表
22、示仪表的功能。采用液位测量变送器采用液位测量变送器LT检测液位值并转换为标检测液位值并转换为标准信号准信号 ，如，如420mA。这一测量信号送往液位控制器这一测量信号送往液位控制器 LC，控制器的，控制器的设定值由人工给定。控制器根据偏差的正负、设定值由人工给定。控制器根据偏差的正负、大小及变化情况，发出控制信号。大小及变化情况，发出控制信号。控制器的输出送往执行器，此处为控制阀，控控制器的输出送往执行器，此处为控制阀，控制阀根据控制信号变化增大或减小阀门的开度，制阀根据控制信号变化增大或减小阀门的开度，调节出水流量，使测量值接近或等于给定值。调节出水流量，使测量值接近或等于给定值。1.3.1
23、温度控制系统温度控制系统蒸汽加热器的温度自动控制系统蒸汽加热器的温度自动控制系统:由蒸汽加热器、由蒸汽加热器、温度变送器温度变送器TT，温度控制器，温度控制器 TC和蒸汽流量控和蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是保持流体出口温度恒制阀组成。控制的目标是保持流体出口温度恒定。定。1.3.2流量控制系统流量控制系统由管路系统、孔板和差压变送器、流量控制器由管路系统、孔板和差压变送器、流量控制器FC和和流量控制阀组成。控制的目标是保持流量恒定。流量控制阀组成。控制的目标是保持流量恒定。简单控制系统组成简单控制系统组成被控对象也称对象被控对象也称对象 ，是指被控制的生产设，是指被控制的生产设备或装置。被
24、控对象需要控制的变量称为被控备或装置。被控对象需要控制的变量称为被控变量。变量。测量变送器测量变送器测量被控变量，并按一定的规测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号的输出，作为测量值。律将其转换为标准信号的输出，作为测量值。标准信号的含义是其上下限符合规定系列标准信号的含义是其上下限符合规定系列:0l0mA, 420mA, 0.020.1MPa等。等。控制器也称调节器。它将被控变量的设定值控制器也称调节器。它将被控变量的设定值与测量值进行比较得出偏差信号与测量值进行比较得出偏差信号 ，并按一定规，并按一定规律给出控制信号。律给出控制信号。执行器常用的是控制阀。接受控制器来的信执行器常用
25、的是控制阀。接受控制器来的信号直接改变操纵变量，通过操作这个变量可克号直接改变操纵变量，通过操作这个变量可克服扰动对被控变量的影响，通常是由执行器控服扰动对被控变量的影响，通常是由执行器控制的某工艺流量。制的某工艺流量。 1.41.4生产过程分析生产过程分析1.4.1间歇生产分析间歇生产分析间歇生产过程：将有限量的物质，按规定的加间歇生产过程：将有限量的物质，按规定的加工顺序，在一个或多个加工设备中加工，以获工顺序，在一个或多个加工设备中加工，以获得有限量的产品的加工过程。如需更多的产品得有限量的产品的加工过程。如需更多的产品则必须重复整个过程。则必须重复整个过程。间歇过程由多个分批操作的间歇
26、设备单元和半间歇过程由多个分批操作的间歇设备单元和半操作设备单元组成。操作设备单元组成。间歇生产过程的特点：间歇生产过程的特点：周期性批量生产周期性批量生产物料状态和操作参数是动态的物料状态和操作参数是动态的柔性生产能力较强柔性生产能力较强工艺控制要求高工艺控制要求高与连续过程相比具有生产能力低，能耗大的特点与连续过程相比具有生产能力低，能耗大的特点间歇生产的投料、出料、混配、分离等作业单元往间歇生产的投料、出料、混配、分离等作业单元往往是暴露性的，给安全运行和作业条件带来许多不往是暴露性的，给安全运行和作业条件带来许多不利因素利因素1.4.2间歇生产过程安全控制分析间歇生产过程安全控制分析间
27、歇生产过程控制：间歇生产过程控制：参数控制：涉及模拟信号的传输、变换和处理，其参数控制：涉及模拟信号的传输、变换和处理，其控制思想和目的与连续过程控制相似控制思想和目的与连续过程控制相似顺序控制：涉及数字开关信号的通讯和处理，其控顺序控制：涉及数字开关信号的通讯和处理，其控制目的主要是控制生产过程按配方规定的和状态有制目的主要是控制生产过程按配方规定的和状态有序地完成生产过程序地完成生产过程（1）顺序生产过程）顺序生产过程流程图流程图过程时间图过程时间图顺序功能图顺序功能图（2）控制系统构成）控制系统构成参数控制参数控制顺序控制顺序控制协调、管理等控制协调、管理等控制化工过程化工过程用化工方法
28、对原料进行加工处理成为产品的过用化工方法对原料进行加工处理成为产品的过程称为化工过程。程称为化工过程。化工过程分为两类：化工过程分为两类：一类是以化学反应为核心的化学反应过程，通常在一类是以化学反应为核心的化学反应过程，通常在化学反应器中进行；化学反应器中进行；一类是不进行化学反应的过程，不改变物料的化学一类是不进行化学反应的过程，不改变物料的化学性质，只改变其物理性质，这一类物理过程称为化性质，只改变其物理性质，这一类物理过程称为化工单元操作。工单元操作。过程步骤过程步骤操作方式操作方式典型设备典型设备化盐水盐搅拌、溶解、传热化盐桶加热器电解精盐水电解反应2NaCl+2H2O=H2+Cl2+
29、2NaOH电解槽氯处理NaOH溶液蒸发氢处理阳极室阴极室Cl2H2烧碱液冷却过程气液分离传热过程换热器离心机蒸发器澄清浑盐水悬浮液沉降分离澄清桶过滤机杂质虽然电解反应为核心过程，但大量的物理操作虽然电解反应为核心过程，但大量的物理操作占有很大比重。另外象传热过程，不仅在制碱占有很大比重。另外象传热过程，不仅在制碱中，在制糖、制药、化肥中都需要，在传热过中，在制糖、制药、化肥中都需要，在传热过程物料的化学性质不变，遵循热量传递规律，程物料的化学性质不变，遵循热量传递规律，通过热量交换的方式实现，所用设备均为换热通过热量交换的方式实现，所用设备均为换热器，作用都是提高或降低物料温度，为一普遍器，作
30、用都是提高或降低物料温度，为一普遍采用的操作方式。采用的操作方式。我们将整个化工生产中我们将整个化工生产中( (包括冶金、轻工、制药包括冶金、轻工、制药等等) )那些普遍采用的、遵循共同的操作原理，所那些普遍采用的、遵循共同的操作原理，所用设备相近，具有相同作用的一些基本的物理用设备相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作，称为性操作，称为“化工单元操作化工单元操作”。单元操作特点单元操作特点物理过程；物理过程；化工中共有操作，化工过程差别很大，但都由基本化工中共有操作，化工过程差别很大，但都由基本单元操作组成；单元操作组成；某单元操作用于不同的化工过程，原理是相同的，某单元操作用于不同的化工过程，原理是相同的，所用设备往往是通用的。所用设备往往是通用的。单元操作分类单元操作分类流体动力传递过程：如流体的输送、沉降、过滤、流体动力传递过程：如流体的输送、沉降、过滤、离心分离。离心分离。热量传递过程：加热、冷却、蒸发。热量传递过程：加热、冷却、蒸发。质量传递过程：如蒸镏、吸收、萃取、膜分离等。质量传递过程：如蒸镏、吸收、萃取、膜分离等。热力过程：如冷冻等。热力过程：如冷冻等。
