化工工藝設計

1、化工工藝設計化工工藝設計是化工企業(yè)實現(xiàn)安全、順利生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)和管理手段?；?工工藝的設計主要分以下五個方面，工藝流程圖、管線配置圖、過程物料 的安全評價、過程路線的選擇、工藝設計安全校核等。一、工藝流程圖工藝流程圖繪制是化工廠設計初始階段的工作。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、設備圖等繪制的基礎。因為早 期階段做出的決定嚴重影響著后續(xù)階段，在流程圖繪制中始終都要對安全 給予充分注意。在設計程序中，憑借文獻、實驗室實驗和中試工廠模試的有關資料進 行設計是慣常的做法。從放大設計到滿負荷的工廠，工藝設計者需要考慮 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、料和不太純的化學品的應用；(2) 傳質、傳熱和物質傳遞方法的放大效應 ；(3) 不同停留時間的影響；(4) 原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品貯存量的影響；(5) 連續(xù)操作對殘余物積累的影響；(6) 結構材料差異的影響；(7) 操作監(jiān)控等級差異與較高程度自動控制的應用。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算幵始的。過程每一階段的設計 都必須滿足安全要求，一切可能的危險都必須鑒別和估算出來，將其排除 或采取預防措施對其進行限制。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子區(qū)間，對 每一子區(qū)間內部的

3、安全操作與其對其他子區(qū)間安全的影響都要進行分析。 方便的子區(qū)間劃分是：(1) 反應(決定整個系統(tǒng)的動力學)；(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，它表示出了主要設備、主要物流 路線和控制點。對于正常操作預期的主要溫度和壓力，物料的流動和組成 以與主要設備的設計能力都做了說明。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，是設計和 施工的基本工作文件，一般包括：(1) 幵啟、關閉、緊急和普通操作需要的所有過程設施，如閥門、盲板、可移動的柱塞等；(2) 施工材料的鑒定序號和鑒定人

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別；(5) 所有儀表、控制點和有儀表失靈顯示功能的連鎖裝置；(6) 所有設備的主要尺寸和負荷；(7) 容器、反應器的操作和設計溫度、壓力；(8) 裝置的標高；(9) 釋放閥、安全膜等的設定壓力；(10) 排水要求；(11) 必要時要有管路配置的特殊備忘錄。三、過程物料的安全評價過程物料的選擇，應該就物料的物性和危險性進行詳細地評估，對一 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物料和過程輔 助物料兩大類型。過程內物料是指從原料到產(chǎn)品的整個工藝流程線上的物 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 輔助物料是指實現(xiàn)過程條件所用的物料，如傳熱流體、重復循環(huán)物、冷凍 劑、滅火劑等。在過程設計中，需要匯編出過程物料的目錄，記錄下過程物料在全部 過程條件范圍內的有關性質資料，作為過程危險評價和安全設計的重要依 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、分子結構式和相對分子質量、物理狀態(tài)、純度、外 觀、氣味或味道、腐蝕性、主要用途、危險性和防護措施、污染因素等。(2) 基礎物性資料蒸氣密度、相對密度、熔點、沸點、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、著火點、燃燒極限、自熱、蒸氣壓。介電常數(shù)，、

6、電阻、粉塵 爆炸性質、火災中的毒性熱分解產(chǎn)物等。(4) 反應性資料高速量熱、差熱分析、撞擊實驗、熱穩(wěn)定性、熱分解試驗、爆燃引起 的爆炸擴散、自燃性等。(5) 毒性資料毒性危險等級、衛(wèi)生標準、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、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計的最初階段完成的。過程路線的安全評 價，應該考慮過程本身是否具有潛在危險，以與為了特定目的把物料加入 過程，是否會增加危險。1.有潛在危險的過程有一些化學過程具有潛在的危險

7、。這些過程一旦失去控制就有可能造 成災難性的后果，如發(fā)生火災、爆炸或毒性物質的釋放等。有潛在危險的 過程有：(1) 爆炸、爆燃或強放熱過程；(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) 有大量貯存壓力負荷能的過程。2反應過程的安全分析實現(xiàn)物質轉化是化工生產(chǎn)的基本任務。物質的轉化反應常因反應條件 的微小變化而偏離預期的反應途徑，化學反應過程有較多的危險性。充分 評估反應過程的危險性，有助于改善過程的安全。(1) 對潛在的不穩(wěn)定的反

8、應和副反應，如自燃或聚合等進行考察，考慮改變反應物的相對濃度或其他操作條件是否會使反應的危險程度減小。(2) 考慮較差混合、反應物和熱源的低效配置、操作故障、設計失誤、 發(fā)生不需要的副反應、熱點、反應器失控、結垢等引起的危險。(3) 評價副反應是否生成毒性或爆炸性物質，是否會有危險垢層形成。(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) 確定所有雜質對化學反應和過程混合物性質的影響。(6) 確保結構材料彼此相容并與過程物料相容。(7) 考慮過程中危險物質，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方面，如老化、中毒、粉碎

9、、活化、再生等3. 有潛在危險的操作完成每一過程都要實施一些具體的操作，有些操作本身具有潛在的危險。分析和確定這些操作的危險性，是過程安全評價的重要內容。下面列 出了一些常見的有潛在危險的操作。(1) 易燃或毒性液體或氣體的蒸發(fā)和擴散 ；(2) 可燃或毒性固體的粉碎和分散；(3) 易燃物質或強氧化劑的霧化；(4) 易燃物質和強氧化劑的混合；(5) 危險化學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)過程比較在工藝設計中，需要在間歇過程和連續(xù)過程之間做出選擇。對于大批 量的操作，從經(jīng)濟上考慮，后者更具有優(yōu)勢。然而，單一或復合物流的抉 擇嚴重影響著過程安全

10、、個別裝置的載荷以與生產(chǎn)中斷的潛能。對于間歇 反應，往往需要在兩個連續(xù)批次之間清洗反應器，這可能會由于清洗準備 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。下面 就間歇和連續(xù)兩種過程方式進行具體比較。(1) 間歇過程各操作單元之間易于隔絕，單元設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) 間歇過程勞動強度較大，緊急狀態(tài)下操作者有較多的機會介入。連續(xù)過程更多地依靠自動控制。(3) 間歇過程產(chǎn)物純度容易控制，過程物料易于識別。連續(xù)過程不穩(wěn)狀態(tài)或周期性波動(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備的損壞。連續(xù)過

11、程的容器或設備很少需要清洗，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間。 在連續(xù)過程中，有潛在危險的中間體 無需貯存直接加工。五、工藝設計安全校核工藝設計必須滿足安全要求。機械設計、過程和布局的微小變化都有 可能出現(xiàn)預想不到的問題。工廠和其中的各項設備是為了維持操作參數(shù)允 許范圍內的正常操作設計的， 在幵車、試車或停車操作中會有不同的條件， 因而會產(chǎn)生與正常操作的偏離。為了確保過程安全，有必要對設計和操作 的每一細節(jié)逐一校核。1. 物料和反應的安全校核(1) 鑒別所有危險的過程物料、產(chǎn)物和副產(chǎn)物，收集各種過程物料的物質信息資料。(2) 查詢過程物料的毒性，鑒別進入機體的不同入口模

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系，確定物料氣味是否令人厭 倦。(4) 鑒定工業(yè)衛(wèi)生識別、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)、加工和貯存各個階段的物料量和物理狀態(tài)，將其與危險性關聯(lián)。(7) 確定產(chǎn)品從工廠到用戶的運輸中，對倉儲人員、承運員、鐵路工人、公眾等呈現(xiàn)的危險。(8) 向過程物料的供應商咨詢有關過程物料的性質和特征，貯存、加工和應用安全方面的知識或信息。(9) 鑒別一切可能的化學反應，對預期的和意外的化學反應都要考慮。(10) 考察反應速率和有關變量的相互

13、依賴關系，確定阻止不需要的反 應、過度熱量產(chǎn)生的限度。(11) 鑒別不穩(wěn)定的過程物料，確定其對熱、壓力、振動和摩擦暴露的 危險。(12) 考察改變反應物的相對濃度或其他反應操作條件，可否降低反應 器的危險。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。(2) 鑒定過程的主要危險， 在流程圖和平面圖上標出危險區(qū)?？紤]選擇特殊過程路線或其他設計方案是否更符合安全。(3) 考慮改變過程順序是否會改善過程安全。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

14、單元或款項并改善安全。(6) 校核過程設計是否恰當，正常條件的說明是否充分， 所有有關的參 數(shù)是否都被控制。(7) 操作和傳熱設施的設計、安裝和控制是否恰當，是否減少了危險的發(fā)生。(8) 過程的放大是否正確。(9) 過程能否自動防止關于熱、壓力、火險和爆炸的過程故障。(10) 考慮是否采用了二次概率設計。3. 非正常操作的安全問題(1) 考慮偏離正常操作會發(fā)生什么情況，對于這些情況是否采取了適當?shù)念A防措施。(2) 當工廠處于幵車、停車或熱備用狀態(tài)時，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載能否有效而安全 地降低。對于一經(jīng)超出必須校正的操作參數(shù)的極限值是否已知或測得，如溫度、壓力、流速、濃度等的極限值。(5) 工廠停車時超出操作極限的偏差到何種程度，是否需要安裝報警或自動斷幵裝置。(6) 工廠幵車和停車時物料正