化工操作原理与安全

化工操作原理与安全化工操作原理与安全 一 化学反应与热量传递一 化学反应与热量传递 几乎所有化学转化都离不开热量传递 虽然传热装置都已 标准化 但其使用特点却有很大不同 如果夹层内壁两侧的物 流能互相反应 就应该安装特殊的检测装置 进行检漏和报警 传热面的结垢会慢慢降低传热效率 如果传热很快并且是在高 温下进行 如燃烧炉中的辐射管 管路上的垢层会形成热点 软化甚至损坏管路 压力容器以及内部或外部的加热或冷却蛇 管结垢会降低设备的传热能力 有时会使反应失控 入口和出 口联线上的温度和压力测定一般能给出传热能力降低的警示 一旦达到危险限度 应该有视听信号报警 更严格的应该有自 动关闭供油线路和自动启动通风系统的设施 还有按比例增加 的问题 反应器的体积按其尺寸的立方增加 而夹套传热面积 仅按其尺寸的平方增加 除非反应器搅拌非常有效 处理的物质不很黏稠 以及通 过冷却面的温度降很小 反应器内存在明显的径向温度梯度 如果从器壁到反应器中心的温度降是 10 反应器中心的反应 速率将比器壁附近的倍减 测温仪表一般安装于反应器的固定 点 观测不出存在的径向温度梯度 而且 指示的温度往往不 是温度的平均值 一般是通过热交换控制和调节反应过程 对于稳定操作 热量移出应和其生成速率平衡 考虑遵守 arrhenius 定律的简单 的放热反应 其产热速率可表示为 dq dt aexp e rt 1 如果反应是在夹套式反应器中进行 热移出速率则表示为 dq dt ub t t0 2 式中 q 和 q 分别为反应热和移出热 t 为时间 a 为常数 t 为反应混合物温度 t0 为冷却水温度 u 为传热系数 b 为传 热面积 r 为气体常数 由式 1 和式 2 可见 放热反应的热生 成速率与温度呈指数律 而热传递速率则与冷却介质与物料间 的温差成线性关系 这常是产生事故的原因 二 相平衡与组元分离二 相平衡与组元分离 多相系统的平衡准则要求处于平衡的各相必须满足热平衡 机械平衡和相平衡条件 即各相的温度 压力和组元逸度必须 分别相等 gibbs 相律规定了多相系统独立的强度变量数 各相 组元逸度相等的相平衡判据式则给出了各相组成随温度和压力 变化的数学表达式 在相同的温度和压力下 各组元的挥发度 或溶解度不同 而各相组成随温度和压力则呈现一定的规律性 的变化 据此 人们设计不同形式的一级 二级或多级单元操 作 实现组元的分离 1 蒸馏 1 易燃液体的蒸馏 蒸馏可以是间歇的或连续的 在大气压下 真空下或压力 下操作 存在着空气进入 蒸气排出的可能性 在蒸馏操作中 由于蒸气是在塔板或填料层中与塔顶冷凝器回流液逆流分级产 生的 易燃液体的组成在不断变化 其闪点是不确定的 这样 易燃液体的蒸馏操作本身就有着固有的危险 如果溶质和溶剂回收不包含二次蒸馏或蒸发操作 用液 液萃取替代蒸馏是合理的考虑 作为替代方法 也可以把塔器 和辅助设备的总量减至最低限度 例如 去掉回流筒 应用上升气流柱的部分冷凝操作 去掉物料预热器 两个蒸馏塔应用侧流合而为一 节省一个冷凝器和一个 再沸器 2 蒸馏操作的危险性 蒸馏塔釜容有大量的沸腾液体 塔身和冷凝器则需要有数 倍沸腾液体的容量 应用热环流再沸器代替釜式再沸器可以减 少连续蒸馏中沸腾液体的量 这样的蒸气发生再沸器或类似设 计的蒸发器 其针孔管易于结垢堵塞造成严重后果 应该选用 合适的传热流体 还需要考虑冷凝器冷却管有关的故障 如塔 顶沾染物 馏出物和回流液 以及冷却介质及其污染物的影响 蒸馏塔需要配置真空或压力释放设施 水偶然进塔 而塔 温和塔压又足以使大量水即刻蒸发 这是相当危险的 特别是 会损坏塔内件 冷水喷入充满蒸气而没有真空释放阀的塔 在 外部大气压力作用下会造成塔的塌陷 释放阀可安装在回流筒 上 低温排放 也可在塔顶向大气排放 应该考虑夹带污物进 塔的危险 间歇蒸馏中的釜残或传热面污垢 连续蒸馏中的预 热器或再沸器污染物的积累 都有可能酿成事故 2 吸收 吸收是指气体混合物在溶剂中选择溶解实现气体混合物组 元的分离 如在污染控制中常见的 溶质的浓度很低 这时就 称为 洗气 有时 相当少量的气体的断续排放 可用插入容 器中液体的喷管简单鼓泡完成吸收 需要监测溶剂的补充和溢 流以及防止气体回吸 为了安全 容器中的液面应自动控制和 易于检查 对于毒性气体 必须有低液位报警 最常用于吸收的是喷雾塔 填料塔或板式塔 气体和溶剂 逆流 为了安全操作 需要做以下考虑 1 控制溶剂的流量和组成 如洗涤酸气的溶液的碱性 如 果吸收剂是用来排除气流中的毒性气体 而不是向大气排放 如用碱溶液洗涤氯气 用水排除氨气 液流的失控会造成严重 事故 2 在设计限度内控制入口气流 检测其组成 3 控制出口气的组成 4 适当选择适于与溶质和溶剂的混合物接触的结构材料 5 在进口气流速 组成 温度和压力的设计条件下操作 6 避免潮气转移至出口气流中 如应用严密筛网或填充床 除雾器等 一旦出现控制变量不正常的情况 应能自动启动报警装置 控制仪表和操作程序应能防止气相中溶质载荷的突增以及液体 流速的波动 3 液 液萃取 液 液萃取过程设备包括塔器 混合沉降槽 离心式萃取器 等 选择何种萃取设备取决于具体过程的需要和惯例 石油有 关的工业一般采用连续的重力沉降式塔器 而矿物萃取工业则 倾向于采用串联的混合沉降槽 萃取过程常常有易燃的稀释剂或萃取剂的应用 除去溶剂 贮存和回收的适当设计外 还需要有效的界面控制 因为包含 相混合 相分离以及泵输送等操作 消除静电的措施变得极为 重要 对于放射性化学物质的处理 可采用无须机械密封的脉 冲塔 在需要最小持液量和非常有效的相分离的情形 则应该 采用离心式萃取器 溶质和溶剂的回收一般采用蒸馏或蒸发操作 所以萃取全 过程包含这些操作所具有的危险 4 结晶 结晶器一般为配有简单搅拌的容器 用来从饱和溶液或稍 微过饱和的溶液生成控制粒度的晶体 除去与物质本身有关的 危险外 这个单元过程极少危险性 三 相混合和相分离三 相混合和相分离 1 混合 混合是加工制造业广泛应用的操作 依据不同的相及其固 有的性质 有着特殊的危险 还有动力机械有关的普通的机械 危险 1 液 液混合 液 液混合一般是在有电动搅拌的敞开或封闭容器中进行 应依据液体的黏度和所进行的过程 如分散 反应 除热 溶 解或多个过程的组合 设计搅拌 还需要有仪表测量和报警装 置强化的工作保证系统 装料时就应开启搅拌 否则 反应物 分层或偶尔结一层外皮会引起危险反应 为使夹套或蛇管有效 除热必须开启搅拌的情形 在设计中应充分估计到失误 如机 械 电器和动力故障的影响以及与过程有关的危险也应该考虑 到 对于低黏度液体的混合 一般采用静止混合器或某种类型 的高速混合器 除去与旋转机械有关的普通危险外 没有特殊 的危险 对于高黏度流体 一般是在搅拌机或碾压机中处理 必须排除混入的固体 否则会构成对人员和机械的伤害 对于 爆炸混合物的处理 需要应用软墙或隔板隔开 远程操作 2 气 液混合 有时应用喷雾器把气体喷入容器或塔内 借助机械搅拌实 现气体的分配 很显然 如果液体是易燃的 而喷入的是空气 则可在气液界面之上形成易燃蒸气 空气的混合物 易燃烟雾或 易燃泡沫 需要采取适当的防护措施 如整个流线的低流速或 低压报警 自动断路 防止静电产生等 才能使混合顺利进行 如果是液体在气体中分散 可能会形成毒性或易燃性悬浮微粒 3 固 液混合 固 液混合可在搅拌容器或重型设备中进行 如果是重质混 合 必须移除一切坚硬的无关的物质 在搅拌容器内固体分散 或溶解操作中 必须考虑固体在器壁的结垢和出口管线的堵塞 4 固 固混合 固 固混合用的总是重型设备 这个操作最突出的是机械危 险 如果固体是可燃的 必须采取防护措施把粉尘爆炸危险降 至最小程度 如在惰性气氛中操作 采用爆炸卸荷防护墙设施 消除火源 要特别注意静电的产生或轴承的过热等 应该采用 筛分 磁分离 手工分类等移除杂金属或过硬固体等 5 气 气混合 无需机械搅拌 只要简单接触就能达到充分混合 易燃混 合物和爆炸混合物需要惯常的防护措施 2 蒸发 因为绝大多数蒸发操作都是在封闭系统中进行 这类装置 很少有严重困难 壳体应该安装压力或真空释放阀 操作区内 应该有防火设施 热交换器和蒸发器容易结垢 因而会大大降 低传热能力 垢层应该定期清除 3 干燥 在干燥中 毒性或易燃粉尘的聚集 从溶剂或者由于固体 过热释放出毒性或易燃蒸气 都会引起危险 就火险和爆炸性 危险而言 需要干燥的物质可分类为 1 爆燃爆炸性物质 2 加热时放热分解并能释放出大量气体的物质 3 在空气中加热发生放热氧化的物质 4 在空气中加热既不放热分解又不放热氧化的物质 对于 1 类物质 应采用爆炸品工业特定的预防措施 不宜 使用普通目的的干燥器 视释放出的气体量和分解的温度 2 类物质的干燥也会有危险 适用于真空或惰性气氛下的干燥 如果正确选择操作条件 严格排除火源 并采取适当的防爆措 施 3 类物质的干燥一般是安全的 对于 4 类物质 只有当其 含有易燃溶剂或明火直接加热时才具有危险 4 过滤和离心 过滤 离心 沉淀等显示出来的只是危险物质处理附带的 问题 应该避免火灾和对毒性物质的过分暴露等 1 过滤 工业过滤操作是应用多孔介质从悬浮液回收固体或产生纯 净滤液 所用装置从压滤机到旋转真空过滤机各式各样 间歇 的 连续的 操作方式不尽相同 但其共同之处都是固体作为 滤饼被回收 固体可能的毒性或可燃性以及易燃溶剂的应用 使得过滤 操作有着固有的危险 必须认真考虑液压及介质故障的影响 如滤布进裂使得未过滤的悬浮液通过等 为使运输线上的危险 物质避开工厂的敏感区应采取较小的过滤机 如果过滤出的物 质在工厂条件下可以发生反应 在过滤机的设计和定位中必须 格外小心 因为过滤机壳体中物质的浓度比物料或滤液的大 2 离心 离心操作是通过机械手段实现固 液分离 离心操作依据 加工物料的性质 可能会有易燃或毒性蒸气释放的危险 对加 工物质暴露的危险 机械故障会引起离心机部件的抛射或摩擦 热的产生 离心可以是间歇或连续操作 对于间歇操作 由于 大量是手工性的 易燃蒸气的形成和释放 电火花的产生 以 及机械和物质暴露的潜在危险都要大一些 对于易燃溶剂的离心处理 例如在精细化工和制药工业中 考虑防爆是最重要的 除去常规防护外 良好的操作实践 排 除一切火源 选取过程适宜的最小挥发度的易燃溶剂 操作置 于惰性气氛中 都是减小危险的重要措施 四 物料的输送和机械加工四 物料的输送和机械加工 1 物料输送 在化工生产中 需要把各种原材料 中间体 产物 副产 物或废弃物从一道工序输送至另一道工序 从一个车间输送至 另一个车间 或输送至储运地点 物料输送是化工行业最普通 的操作手段 物料的相态 形态不同 输送的设备和方法也各 不相同 无论采用何种设备和方法输送物料 运行安全都是极 为重要的 否则一处故障可能会危及整个生产的全局 1 固体物料输送 固体块状或粉状物料 可以采用皮带 螺旋 链斗等机械 输送方式 也可以采用风机或真空泵等风力输送方式 甚至可 以采用位差溜槽等重力输送方式 采用机械设备输送固体物料 可以往复运行 连续加料 连续卸载 采用这种方式输送物料 除设备本身会发生事故外 也有可能造成人身伤害 为了安全运行 应该根据物料性质 物料负荷以及运转速度合理地选择传动装置 对于皮带传动的 情形 皮带铰接应该平滑 并根据负荷调整松紧度 在皮带和 皮带轮接触部位 应该安装防护罩 对于齿轮传动的情形 要 注意负荷均匀 防止因卡料拉断链条和链板 齿轮与齿轮 齿 条 链条啮合的部位 应该采取防护措施 防止发生人身伤害 事故 风力输送物料主要凭借真空泵或风机产生的气流动力 常 见的有吸送式和压送式两种类型 风力输送系统密闭性好 物 料损失少 但能耗大 管道磨损严重 不适于输送湿度大 易 粘结物料 风力输送系统除应注意防止设备本身的故障损坏外 还要特别注意防止系统堵塞和由静电引起的粉尘爆炸 为此 输送管道的直径应该尽量大些 而且要有良好的接地 输送速 度不要超过额定值 输送量不应有急剧变化 2 液体物料输送 一般是应用管道输送液体物料 高位的物料可凭借其位能 输往低位 若把液体物料由低位输往高位 或沿水平线输送 克服液体自重或流动阻力所需要的压头 则由泵设备来供给 化工液体种类繁多 性质各异 化工用泵种类较多 通常可分 为往复泵 离心泵 旋转泵 流体运动作用泵四种类型 泵送 液体除去应该有常规的机械安全防护外 还需要注意防止物料 特别是危险物料泄漏引起的危险 往复泵 往复泵主要由泵体 活塞和两个单向活门构成 往复泵开动前 需要对各运动部件进行检查 检查活塞 缸套 是否磨损 吸液管之上的垫片是否适合法兰大小 以防泄漏 离心泵 离心泵是把机械能通过泵内高速旋转的叶片传 递给液体 再把液体的动能转化为静压能 使液体压缩排出泵 外 离心泵在开动前 泵内和吸入管必须充满液体 或采取其 他措施以防气缚现象发生 如果在吸液管配置一单向阀 使泵 在停止时不致流空 或将泵置于吸入液面之下 或采用自引式 离心泵都可将泵内气体排尽 在输送易燃液体时 管内流速不 应大于安全流速 管道要有可靠的接地措施防止静电的产生 同时应该避免吸入口产生负压吸入空气形成爆炸混合物 旋转泵 旋转泵同往复泵一样 都属于正位移泵 同往 复泵的主要区别是泵中没有活门 只有旋转的转子 依靠转子 旋转把液体排送出泵 留下空间形成低压把液体吸入 这样连 续排出吸人完成液体的输送 旋转泵压头大 流量小 没有活 门 宜输送黏度较大的液体 但因其旋转间隙较小 不宜输送 含有固体的悬浮液 旋转泵属正位移泵 其流量不能用出口管 路上的阀门进行调节 流体运动作用泵 这类泵的特点是无活动部分 液体物 料的输送主要靠空气的压缩或运动着的流体 对于易燃液体不 能用压缩空气压送 因为空气与易燃液体蒸气混合 可形成爆 炸性混合物 在输送有燃烧性和爆炸性物料时 要用氮 二氧 化碳等惰性气体代替空气 以免造成燃烧或爆炸 3 气体物料输送 一般是由压缩机压送或真空泵抽吸通过管道输送气体物料 为避免压缩机气缸 贮气罐以及输送管路因压力升高引起爆炸 要求这些部位要有足够的强度 此外要安装准确可靠的压力表 和安全阀 安全阀泄压时 应该把危险气体导至安全地区 压送或抽吸可燃气