1、化工設計 第7章 化工過程分析,安全工程與 生態(tài)工業(yè)系統(tǒng),王靜康 教授,第7章 化工過程分析,安全工程與生態(tài)工業(yè)系統(tǒng),教材依據(jù),本“化工設計” 教材(496頁)：是高等教育十五、 十二.五國家級規(guī)劃教材,希望同學課下參考教材學習。,第一節(jié) 系統(tǒng)可靠性與可靠度分析 第二節(jié) 安全性與損失的預防 第三節(jié) 風險性分析與評估 第四節(jié) 工業(yè)系統(tǒng)安全工程 第五節(jié) 化工廠安全設計概述 第六節(jié) 單元操作的綠色環(huán)保措施 第七節(jié) 工業(yè)生態(tài)系統(tǒng) 第八節(jié) 產(chǎn)品生命周期分析與評價,第四節(jié) 工業(yè)系統(tǒng)安全工程,化工過程設計安全工程的目標,廿一世紀化工過程設計安全工程的目標, 不僅是目前維護生產(chǎn)，使有毒化學品的意外排放、以及火

2、災和爆炸事故的發(fā)生最小化，以保證生產(chǎn)過程的安全、生產(chǎn)者的安全以及環(huán)境影響的最小化； 而且要關注實現(xiàn)環(huán)境友好以保證長遠的大環(huán)境安全，如大氣環(huán)境、地球水體的安全，以及資源與能源減耗等。 我國重視安全生產(chǎn)工作，不但下達了關于建設項目（工程）勞動安全工生監(jiān)察規(guī)定及有關國家規(guī)定的標準，而且明確規(guī)定建設項目中的勞動安全衛(wèi)生設施必須與主體工程“同時設計，同時投產(chǎn)和使用”的“三同時”原則。,化工生產(chǎn)過程中不安全的職業(yè)危險及危害因素,主要包括六部分： 1. 火災、爆炸危險； 2. 毒性物質(zhì)危險； 3. 腐蝕性物料的危害； 4. 噪聲危害； 5. 其它危害如雷擊、電擊、放射性危害，設備、管道氣液固物料泄漏等災害因

3、素; 6. 原料、中間品及產(chǎn)品貯存及輸運過程的危階性; 還關注三廢對大氣、水體及對生態(tài)系統(tǒng)的危害性等。,重大安全事故的分折,一、Flixborough事件 Nypro有限公司Flixborough車間年產(chǎn)70,000 t己內(nèi)酰胺（生產(chǎn)尼龍的原材料）由于1段管線使用不合適，高壓將管線壓破，泄漏出大約30 t環(huán)己烷并形成一個大汽團,未知的火源,引發(fā)汽團爆炸 。 二、博帕事件 博帕位于印度中心，1984年12月3日，發(fā)生了甲基異氰酸酯(MIC)的意外泄漏事件，由于勞動糾紛使控制MIC排放的洗滌燃燒系統(tǒng)沒有開啟,結果蒸汽泄露到環(huán)境中毒性很強造成巨大的災難。 三、中國石油吉林石化公司雙苯廠爆炸事件:因為

4、苯胺裝置T-102塔發(fā)生堵塞，循環(huán)不暢，處理不當， 發(fā)生著火爆炸事故。. 結論：都與設計與操作、檢修不當因素有關，導至的不該發(fā)生的災難。,專門的工程技術安全工程,為什么近代化工安全事故仍陸續(xù)發(fā)生且有增無減呢？這是因為在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著新技術、新能源和新材料的不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)過程的大規(guī)模化和復雜化，安全保障和技術難度也相應增大,皆需要用新的科學的方法和技術去識別、防止與控制；而且一些已經(jīng)投入運行的生產(chǎn)裝置和設備由于陳舊和老化，它們的潛在危險也日益暴露出來。 由此可見，更加重視化工安全問題已是當務之急。 因此在工程技術領域中出現(xiàn)了這一門專門的工程技術安全工程，安全工程是涉及各種技術領域的一種綜合

5、性的交叉性的專門技術。,化學工業(yè)安全設計實現(xiàn)安全工程的首要措施,如何解決這些導致災害的不安全問題呢？ 必須強調(diào)的原則是源頭防治為本，也就是說解決前述嚴重安全問題，最根本的方法是進行新的內(nèi)在更安全的設計： 即通過工藝設計減小固有危害性，而不是僅考慮選用對危害進行防護方案；需進行環(huán)境影響最小化的新過程設計，而不是僅僅通過處理廢料來實現(xiàn)環(huán)境友好。,一、 在安全設計中必須考慮的基本項目(3項),1. 工藝的安全性:工藝必須以下列三項作為達到工藝安全的目標進行研究， 在設計條件下能夠安全運轉； 即使多少有些偏離設計條件也能將其安全處理并恢復到原來的條件； 確立安全的起動或停車辦法。 因此，必須評價化工工

6、藝所具有的各種潛在危險性，例如 原料、化學反應、操作條件的不同，偏離正常運轉的變化，工藝設備本身的危險性，研究排除這些危險性，或者用其它適當辦法對這些危險性加以限制的方法。,2. 防止運轉中的事故 (予警系統(tǒng)-信息化管理的重要性) 應盡力防止由運轉中所發(fā)生的事故而引起的次生災害。事故的對象有廢物的處理、停止供給動力、混入雜質(zhì)、誤操作、發(fā)生異常狀態(tài)、外因等。 3. 防止擴大受災范圍 萬一發(fā)生災害時，應防止災害擴大，把災害局限在某一范圍內(nèi)。 以上是安全設計的基本事項，但考慮到工廠廠址、化工裝置的特殊性、企業(yè)內(nèi)組織的不同及其它情況，還必須具體問題具體分析。,在安全設計中必須考慮的基本項目,1. 最小

7、化 2. 防止運轉中的事故 3. 優(yōu)化操作條件或設施 4. 簡單化 5. 實現(xiàn)過程集成簡化 6. 在構建一個生產(chǎn)化學品的過程流程時，希望在設計中及時考察每個單元操作的環(huán)境影響,二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題 (6項),二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題 (6項),1. 最小化：盡量使用最小量的危害性物質(zhì)。 是否已經(jīng)將儲罐中與過程相關的危險品存量壓縮到最小？ 是否已盡可能減少危險品的儲罐數(shù)量？ 其它類型的單元操作或設備能夠縮減化學品的使用限額嗎？（例如，用連續(xù)在線混合器代替混合容器）,二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題,2. 替代工

8、藝或替代品：盡量使用危害性小的工藝和物質(zhì)代替危害性大的工藝和物質(zhì)。 有可能通過采用替代工藝而徹底消除危害性原料、過程中間體或副產(chǎn)物？ 能否將原料替換為毒性更小的物質(zhì)，或能否將易燃或有毒的溶劑替換為非易燃或有毒的溶劑？ 3. 優(yōu)化操作條件或設施：選用危害性更小的操作條件或設施，使排放物質(zhì)或能量的危害性最小。 原料的進料壓力能否被限制在接近容器的操作壓力？ 能否通過使用更優(yōu)良的催化劑盡可能使反應條件（溫度，壓力）變得不那么苛刻？,二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題,4. 簡單化： 盡可能簡化設計以消除不必要的復雜性，以避免因操作繁復而導致的操作失誤的發(fā)生。 設計的容器能否承受最

9、壞的情況發(fā)生下可能產(chǎn)生的最大壓力？ 能否實現(xiàn)過程單元的耦集成，簡化與減少高溫高壓設備與貯的個數(shù)？ 在詳細地研究過程集成之前，有必要系統(tǒng)地評價和改善過程設計的環(huán)境性能的方法,例如，危害和可操作性（HAZ-OP）分析（參見Crowl & Louvar，1990） 其中選擇安全的、經(jīng)濟的和環(huán)境友好的工藝路線, 是一件非常重要也是較難的工作，因為必須考慮到整個化學品供應鏈優(yōu)化。,5.實現(xiàn)過程集成簡化-綠色化學工程的準則,二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題,二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題,6. 在構建一個生產(chǎn)化學品的過程流程時，希望在設計中及時考察每個單元操作

10、的環(huán)境影響，而不是等整個流程設計結束后再進行。 這種“前端”環(huán)境評價更有可能形成環(huán)境危害小的化工過程。多數(shù)情形下，這種考慮化學品生產(chǎn)過程的復雜生產(chǎn)過程集成的網(wǎng)絡的環(huán)境友好設計方法，形成的過程更為經(jīng)濟，因為設計中要求減少廢物以及環(huán)境治理成本，從而有更多的原材料轉化為可銷售的產(chǎn)品。,二. 在進行設計或重新設計時必須要領先考慮與解決的問題,例如，在甲醇生產(chǎn)中，甲醇用一氧化碳制得。一氧化碳由另一過程的現(xiàn)有廢物部分氧化制得。另一方面，把CO轉變成甲醇需要能量密集型原料H2。 評價一個化學品生產(chǎn)的環(huán)境特征應當考察整個化學品的原料供應鏈，但是實際檢驗這些供應鏈, 需要用化學生產(chǎn)工業(yè)物質(zhì)流與能量流的綜合、集成

11、模型.(化工過程系統(tǒng)工程的建模) 目前已有些可供參考的模型，但仍在繼續(xù)研發(fā)中。Rudd及其合作者已經(jīng)建立了與200多種化學品生產(chǎn)相互關聯(lián)的超過400個化工過程的基本的物質(zhì)流和能量流模型（Rudd等人，1981），描述了化學品生產(chǎn)過程的復雜生產(chǎn)過程集成的網(wǎng)絡。,三、化工過程設計中要預防單元操作的污染與安全，還應著重考慮以下6方面：,原料的選擇：許多環(huán)境問題可歸結為評價原料物性以及優(yōu)選單元操作和操作條件。每個單元操作中所用的物質(zhì)應該慎重考慮，以便使任何可能的泄漏對人類健康和環(huán)境的危害最小。 廢物生成機理：仔細分析過程生成廢物的機理，通?？梢砸龑гO計者選用環(huán)境友好的原料，以及其它的污染預防措施。 操

12、作條件：每個單元設備的操作條件都應優(yōu)化，以獲得最高的反應轉化率和分離效率。 物料的儲運：應采用最佳的物料儲運方案，以使物料向環(huán)境的排放最小。 能量消耗：應仔細考察各單元設備的能耗，以實現(xiàn)能耗和公用工程排放的最小化。 生產(chǎn)安全性：必須考察污染預防措施的安全性問題，以確保工作條件的安全。,第五節(jié) 化工廠安全設計概述,化工廠設計和操作安全,一、 工廠的定位、選址和布局 二、 化工工藝設計 三、 化工單元區(qū)域規(guī)劃 四、 壓力容器的設計、制造和檢驗 五、 化工裝置維護 六、 公用工程設施安全,化工過程初步設計說明書的內(nèi)容介紹,一、設計依據(jù) 二、設計指導思想和設計原則 三、產(chǎn)品方案 四、生產(chǎn)方法和工藝流程

13、 五、車間（裝置）組成和生產(chǎn)制度 六、原料、中間產(chǎn)品的主要技術規(guī)格 七、工藝計算 八、主要原材料、動力消耗定額及消耗量 九、生產(chǎn)控制分析 十、儀表和自動控制 十一、技術保安、防火及工業(yè)衛(wèi)生 十二、車間布置 十三、公用工程 十四、“三廢”治理及綜合利用 十五、車間維修 十六、土建 十七、車間裝置定員 十八、概算表 十九、技術經(jīng)濟 二十、存在問題及建議 附表1 工藝設備一覽表 附表2 自控儀表一覽表 附表3 公用工程設備材料表 附圖1 帶控制點工藝流程圖 附圖2 車間布置圖（平面圖及剖面圖） 附圖3 關鍵設備總圖 附圖4 建筑平面、立面、剖面圖,一、 工廠的定位、選址和布局,（一）、危險和防護的一

14、般考慮 危險按潛在或直接的危害分一級危險和二級危險。 1.典型一級危險有： 有易燃物質(zhì)存在 有熱源存在 有火源存在 有富氧存在 有壓縮物質(zhì)存在 有毒性物質(zhì)存在 人員失誤的可能性 機械故障的可能性 人員、物料和車輛在廠區(qū)的流動 由于蒸氣云降低能見度等。 對一級危險，在正常條件下不會造成人身或財產(chǎn)的損害，只有觸發(fā)事故時才會引起損傷、火災或爆炸。,2.典型的二級危險有 火災 爆炸 游離毒性物質(zhì)的釋放 跌傷 倒塌 碰撞 二級危險是在一級危險失去控制后發(fā)展成的，會造成人身或財產(chǎn)的直接損失。,一、 工廠的定位、選址和布局,課下作業(yè),1. 化工過程設計的綠色化學科學與工程準則包括那些內(nèi)容？ 2. 簡述化工過程系統(tǒng)工程模擬軟件主要發(fā)展趨勢 參考文獻： David T. Allen, David R. Shonnard, Green Engineering: E