Lecture化工设备

1、1第十一讲第十一讲化工设备的环境影响考量化工设备的环境影响考量22013.42013.4，福建漳州，福建漳州PXPX（对二甲苯）项目（对二甲苯）项目3总体化工过程设计总体化工过程设计n化工过程中，化工过程中，反应器反应器将原料变成产品；将原料变成产品；n但并不是全部原料都发生化学反应，另外，部分但并不是全部原料都发生化学反应，另外，部分原料发生反应变成副产品。所以反应器会产生由原料发生反应变成副产品。所以反应器会产生由未反应的原料、产品和副产品组成的混合物；未反应的原料、产品和副产品组成的混合物；4化工设备举例化工设备举例 二甲醚综合反应器二甲醚综合反应器5总体化工过程设计总体化工过程设计n需

2、将反应器生成的混合物进一步分离为未反应的需将反应器生成的混合物进一步分离为未反应的原材料、产品与副产品，即原材料、产品与副产品，即分离与再循环系统分离与再循环系统；6化工设备举例化工设备举例 甲醇钠精馏塔甲醇钠精馏塔7总体化工过程设计总体化工过程设计n反应器设计和分离与再循环系统设计两者规定了反应器设计和分离与再循环系统设计两者规定了设计过程的冷、热负荷，为提高能量利用率，需设计过程的冷、热负荷，为提高能量利用率，需尝试进行热回收，在需要冷却的流股和需要加热尝试进行热回收，在需要冷却的流股和需要加热的流股之间进行热交换，即的流股之间进行热交换，即换热网络换热网络的设计；的设计；n经过热量回收而

3、不能满足的冷、热负荷决定了外经过热量回收而不能满足的冷、热负荷决定了外部公用工程（蒸汽、冷却水等）的需要量，即部公用工程（蒸汽、冷却水等）的需要量，即公公用工程用工程的选择与设计。的选择与设计。8总体化工过程设计总体化工过程设计9化工机械与普通机械的区别化工机械与普通机械的区别n化工厂的主要危险：火灾、爆炸和化工厂的主要危险：火灾、爆炸和有毒物质释放有毒物质释放；n使用化工机械的过程中，可能因其中的化学品的使用化工机械的过程中，可能因其中的化学品的毒性，影响附近人群；毒性，影响附近人群；化工生产过程中，可能在管道法兰、阀门压盖以及泵化工生产过程中，可能在管道法兰、阀门压盖以及泵或压缩机密封圈等

4、部位，发生缓慢的或压缩机密封圈等部位，发生缓慢的腐蚀性泄漏腐蚀性泄漏；也可能在向贮罐中加入物料时，因为液位升高使罐中也可能在向贮罐中加入物料时，因为液位升高使罐中的蒸汽排出，造成的蒸汽排出，造成挥发性泄漏挥发性泄漏。10化工过程的废弃物化工过程的废弃物 加工过程加工过程n化工过程的废弃物需谨慎处理，化工过程的废弃物需谨慎处理，加工过程加工过程废弃物废弃物主要有以下三个来源：主要有以下三个来源：反应器中生成的无用的副产品等物质；反应器中生成的无用的副产品等物质；分离与再循环系统不能充分回收与再循环废分离与再循环系统不能充分回收与再循环废弃流股中的有用物质；弃流股中的有用物质；过程操作：连续过程的

5、开车、停车、产品转过程操作：连续过程的开车、停车、产品转换、设备维修与清洗以及贮罐的装填等操作换、设备维修与清洗以及贮罐的装填等操作都会产生废弃物。都会产生废弃物。11化工过程的废弃物化工过程的废弃物 公用工程公用工程n化工过程的废弃物需谨慎处理，化工过程的废弃物需谨慎处理，公用工程公用工程的废弃物的废弃物主要来自于热公用工程和冷公用主要来自于热公用工程和冷公用工程：工程：加热炉、蒸汽锅炉、燃气轮机和柴油机产生加热炉、蒸汽锅炉、燃气轮机和柴油机产生的废弃物是气相燃烧产物，如二氧化碳、硫的废弃物是气相燃烧产物，如二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、颗粒物等；氧化物、氮氧化物、颗粒物等；锅炉给水过程中也

6、可能产生液相废弃物。锅炉给水过程中也可能产生液相废弃物。12排放物可能对周围的动排放物可能对周围的动植物和人产生直接影响。植物和人产生直接影响。例如：化工厂的工人可例如：化工厂的工人可能暴露在生产过程使用能暴露在生产过程使用或产生的毒性物质中；或产生的毒性物质中；化学物质能通过呼吸车化学物质能通过呼吸车间里的空气、尘埃，食间里的空气、尘埃，食用被污染的食物，与皮用被污染的食物，与皮肤或眼睛接触等方式进肤或眼睛接触等方式进入机体。入机体。化工过程泄漏物或废化工过程泄漏物或废弃物的影响弃物的影响 局部局部化工过程泄漏物或废弃物的影响化工过程泄漏物或废弃物的影响 广域广域排放物也可能因环境迁移排放物

7、也可能因环境迁移及难降解等因素对更大范及难降解等因素对更大范围的动植物和人产生影响。围的动植物和人产生影响。化工过程泄漏物或废弃物的影响化工过程泄漏物或废弃物的影响 广域广域n化学工程师还必须关注由于向大气和水体中排放化学工程师还必须关注由于向大气和水体中排放有害化学物质，以及固体有毒废弃物而导致的环有害化学物质，以及固体有毒废弃物而导致的环境污染：境污染：1. 生活在化工厂下风区的居民可能会暴露在排生活在化工厂下风区的居民可能会暴露在排放的挥发性有毒化学物质中；放的挥发性有毒化学物质中；2. 陆地上的固体有毒废弃物，无论是被当做垃陆地上的固体有毒废弃物，无论是被当做垃圾掩埋，抑或深井注入地下

8、，如果没有与水圾掩埋，抑或深井注入地下，如果没有与水源隔离，就会导致地下饮用水的污染；源隔离，就会导致地下饮用水的污染；3. 排放到河流、湖泊和小溪中的化学物质可能排放到河流、湖泊和小溪中的化学物质可能在鱼类和其他水生物体内富集，而这些鱼类在鱼类和其他水生物体内富集，而这些鱼类及水生物随后被当做食物，或者排放的化学及水生物随后被当做食物，或者排放的化学物质被饮用下游河水的人们摄入体内。物质被饮用下游河水的人们摄入体内。化工过程泄漏物或废弃物的影响化工过程泄漏物或废弃物的影响 生物富集生物富集排放物也排放物也可能因环可能因环境迁移及境迁移及难降解等难降解等因素对更因素对更大范围的大范围的动植物和

9、动植物和人产生影人产生影响。响。1616环境化学物的毒性环境化学物的毒性17毒性如何产生毒性如何产生n毒性是指一种物质能引起机体损害的性质毒性是指一种物质能引起机体损害的性质和能力；和能力；n严格来说，所有物质都有潜在的毒性；严格来说，所有物质都有潜在的毒性；n化学物质的毒性大小受诸如：物质本身的化学物质的毒性大小受诸如：物质本身的性质、生物个体差异性、进入或接触机体性质、生物个体差异性、进入或接触机体的化学物质的剂量、曝露时间、作用部位的化学物质的剂量、曝露时间、作用部位等很多因素影响。等很多因素影响。18吸收吸收：环境化学物经各种途径通过机体的生环境化学物经各种途径通过机体的生物膜进入血液

10、的过程物膜进入血液的过程n饮水和食物中的污染饮水和食物中的污染物主要经消化管进入物主要经消化管进入机体：口腔黏膜、胃、机体：口腔黏膜、胃、主要是小肠；主要是小肠；n某些环境化学物质某些环境化学物质（如四氯化碳、有机（如四氯化碳、有机磷农药等）可通过皮磷农药等）可通过皮肤进入机体，引起损肤进入机体，引起损害；害；n空气中的化学污染物主要空气中的化学污染物主要经呼吸道进入机体。经呼吸道进入机体。吸收吸收：环境化学物经各种途环境化学物经各种途径通过机体的生物膜进入血径通过机体的生物膜进入血液的过程液的过程20化学物的分布化学物的分布n分布：环境化学物被吸收进入血液和体液分布：环境化学物被吸收进入血液

11、和体液后，随血液和淋巴液的流动分散到全身各后，随血液和淋巴液的流动分散到全身各组织的过程。组织的过程。n化学物在体内组织器官的起始分布取决于化学物在体内组织器官的起始分布取决于血流量，而最终分布取决于化学物与组织、血流量，而最终分布取决于化学物与组织、器官的亲和力；器官的亲和力；n例如：铅染毒例如：铅染毒2小时后，约小时后，约50%剂量的铅分剂量的铅分布在肝内；而一个月后体内残留铅的布在肝内；而一个月后体内残留铅的90%分布在骨骼中。分布在骨骼中。21化学物的贮存化学物的贮存n血浆蛋白血浆蛋白n肝和肾肝和肾n脂肪组织脂肪组织n骨骼组织骨骼组织n有的化学物对其积聚的部位可直接发挥毒有的化学物对其

12、积聚的部位可直接发挥毒性作用，该部位称为靶组织或靶器官。性作用，该部位称为靶组织或靶器官。22环境化学物的一般毒性及特殊毒性环境化学物的一般毒性及特殊毒性n干扰正常受体干扰正常受体-配体的相互作用配体的相互作用，例如：甲基汞，例如：甲基汞通过抑制大脑、小脑的胆碱能受体而损害中枢神通过抑制大脑、小脑的胆碱能受体而损害中枢神经系统；经系统；n细胞膜损伤细胞膜损伤，例如：，例如：DDT可引起红细胞膜脂流动可引起红细胞膜脂流动性降低，还可能因其与膜脂相溶改变膜的通透性；性降低，还可能因其与膜脂相溶改变膜的通透性；n干扰细胞内钙稳态干扰细胞内钙稳态，引起细胞损伤。例如：过氧，引起细胞损伤。例如：过氧化物

13、、醛类、二噁英和化物、醛类、二噁英和Cd2+、Pb2+、Hg2+等重金等重金属离子等；属离子等；n干扰细胞能量的产生，使细胞不能产生干扰细胞能量的产生，使细胞不能产生ATP（腺（腺苷三磷酸）；苷三磷酸）；n特殊毒性：致突变性、致癌变、生殖发育毒性特殊毒性：致突变性、致癌变、生殖发育毒性23n环境化学物的环境化学物的结构与性质：结构与性质：水溶或脂溶，水溶或脂溶，抗分解性抗分解性n机体状况：种机体状况：种属、个体年龄、属、个体年龄、健康状况的差健康状况的差异异n接触条件接触条件n环境因素：气环境因素：气温、气压、湿温、气压、湿度等度等影响毒性作用影响毒性作用的因素的因素2424化学物质的暴露性评

14、估化学物质的暴露性评估25生物体对相同剂生物体对相同剂量的化学物质可量的化学物质可能有不同的反应。能有不同的反应。使若干人暴露于使若干人暴露于某种化学物质的某种化学物质的同样剂量环境中，同样剂量环境中，并记录反应情况。并记录反应情况。26有有75人接受因一定剂量的物质导致皮肤发炎的人接受因一定剂量的物质导致皮肤发炎的试验。试验。反应在从反应在从010的范围内被记录下来，其中的范围内被记录下来，其中“0”代表没有任何反应；代表没有任何反应；“10”代表强烈的反应。代表强烈的反应。表现出某种明确反应的人数见下表：表现出某种明确反应的人数见下表：27 偏离均值偏离均值1个标准差的范围所占的百分比个标

15、准差的范围所占的百分比反应反应- -剂量曲线剂量曲线反应剂量曲线是暴露性和毒性效应之间的定量关系图。反应剂量曲线是暴露性和毒性效应之间的定量关系图。反应剂量曲线的基本形状由生物作用机理决定。反应剂量曲线的基本形状由生物作用机理决定。横坐标为化学品剂量的对数值，纵坐标为该剂量下发生不横坐标为化学品剂量的对数值，纵坐标为该剂量下发生不利影响的人群百分数。利影响的人群百分数。LD50 剂量：导致剂量：导致 50% 实验物种死亡的剂量。实验物种死亡的剂量。如果对于化学物质的反应时中毒（非致命但却不如果对于化学物质的反应时中毒（非致命但却不可恢复的伤害，如肝脏或肺的损害），那么反应可恢复的伤害，如肝脏或

16、肺的损害），那么反应剂量曲线被称为剂量曲线被称为TD 曲线。曲线。反应反应- -剂量剂量曲线曲线通过分析反应剂量曲线，风险评价者可以估计出通过分析反应剂量曲线，风险评价者可以估计出安全剂量值。安全剂量值。将实际剂量与安全剂量对比，可估测相应的风险将实际剂量与安全剂量对比，可估测相应的风险性。性。反应反应- -剂量剂量曲线曲线32反应反应- -剂量曲线剂量曲线33危险物质的传播危险物质的传播 建立预测模型建立预测模型n化工厂内的许多事故都会导致有毒物质的溢出；化工厂内的许多事故都会导致有毒物质的溢出；n典型事故可能包括管线的破裂或断裂、贮罐或管典型事故可能包括管线的破裂或断裂、贮罐或管道上的小孔

17、、反应失控或外部火焰作用于容器；道上的小孔、反应失控或外部火焰作用于容器；n可选择可选择泄漏源模型泄漏源模型来描述有毒物质是怎样从过程来描述有毒物质是怎样从过程系统中释放出来的；系统中释放出来的；n然后可建立然后可建立扩散模型扩散模型来描述有毒物质是怎样向下来描述有毒物质是怎样向下风向传输的；风向传输的；n后果模型后果模型将这些事件的结果转化为对人的影响，将这些事件的结果转化为对人的影响，例如受伤或致死。例如受伤或致死。34危险物质的传播危险物质的传播 泄漏源模型泄漏源模型n泄漏源模型是根据描述物质释放时所表现出来的泄漏源模型是根据描述物质释放时所表现出来的物理化学过程的理论，或经验方程而建立

18、的；物理化学过程的理论，或经验方程而建立的；n对于较复杂的工厂，需要很多种源模型来描述有对于较复杂的工厂，需要很多种源模型来描述有毒物质的释放；毒物质的释放；n使用这些模型的结果往往仅是一种预测，结果存使用这些模型的结果往往仅是一种预测，结果存在不确定性；在不确定性；n释放机理可分为大孔释放和有限孔释放：释放机理可分为大孔释放和有限孔释放：大孔释放：过程单元内形成大孔，在短时间大孔释放：过程单元内形成大孔，在短时间内有大量物质释放，例如贮罐的超压爆炸；内有大量物质释放，例如贮罐的超压爆炸；有限孔释放：物质以非常慢的速率释放，上有限孔释放：物质以非常慢的速率释放，上游条件不因此而立即收到影响。游

19、条件不因此而立即收到影响。35危险物质的传播危险物质的传播 有限孔释放有限孔释放物质从贮罐或管道上的孔洞和裂纹，以及法兰、阀物质从贮罐或管道上的孔洞和裂纹，以及法兰、阀门和泵体的裂缝及严重破坏或断裂的管道中泄漏。门和泵体的裂缝及严重破坏或断裂的管道中泄漏。危险物质的传播危险物质的传播 液体通过孔洞流出液体通过孔洞流出002mcgmcgQACgPQACg P：质量流率：孔洞的面积：流出系数，是液体雷诺数和孔洞直径的复杂函数：液体密度：重力常数：过程单元的表压力38危险物质的传播危险物质的传播 泄漏源模型泄漏源模型n液体经孔洞流出液体经孔洞流出n液体经贮罐上的液体经贮罐上的 孔洞流出孔洞流出n液体

20、经管道流出液体经管道流出n蒸气经孔洞流出蒸气经孔洞流出n气体经管道流出气体经管道流出n闪蒸液体闪蒸液体n液池蒸发或沸腾液池蒸发或沸腾39危险物质的传播危险物质的传播 泄漏及扩散模型泄漏及扩散模型n扩散模型扩散模型描述了有毒物质远离事故发生地，并遍描述了有毒物质远离事故发生地，并遍及整个工厂和社会的空中输送过程；及整个工厂和社会的空中输送过程；n释放发生后，空气中的有毒物质被风以释放发生后，空气中的有毒物质被风以烟羽方式烟羽方式或烟或烟团方式团方式带走；带走；n有毒物质的最大浓度是在释放发生处；有毒物质的最大浓度是在释放发生处；n由于有毒物质与空气的湍流混合和扩散，其在下由于有毒物质与空气的湍流

21、混合和扩散，其在下风向的浓度较低；风向的浓度较低；n影响有毒物质在大气中扩散的因素包括：风速、影响有毒物质在大气中扩散的因素包括：风速、大气稳定度、地面条件（建筑物、水、树等）、大气稳定度、地面条件（建筑物、水、树等）、释放处距离地面的高度、物质释放的初始动量和释放处距离地面的高度、物质释放的初始动量和浮力等。浮力等。40危险物质的危险物质的传播传播 泄漏泄漏及扩散模型及扩散模型41n化工机械的使用过程中会因其中的化学品化工机械的使用过程中会因其中的化学品毒性，及高温高压产生严重伤害毒性，及高温高压产生严重伤害危险物质的传播危险物质的传播 泄漏及扩散模型泄漏及扩散模型42危险物质的传播危险物质

22、的传播 泄漏及扩散模型泄漏及扩散模型n氟利昂以氟利昂以 0.74g/min 的速率从一个敞口的蒸气除的速率从一个敞口的蒸气除油器向外排放，若风速为油器向外排放，若风速为 0.79m/min。估算位于。估算位于除油器下风方位除油器下风方位 3m 处的工人吸入空气中所含氟处的工人吸入空气中所含氟利昂的浓度：利昂的浓度：3220.74/ min0.1 /443.14160.2/ min 30.0511.50m /minmmQgCg mKxmmQKx：污染源排放污染物的速率：扩散系数，：位于污染源下风方位的距离43危险物质的传播危险物质的传播 泄漏及扩散模型泄漏及扩散模型n情况情况1：无风情况下的稳态

23、连续点源释放：无风情况下的稳态连续点源释放n情况情况2：无风时的烟团：无风时的烟团n情况情况3：无风情况下的非稳态连续点源释放：无风情况下的非稳态连续点源释放n情况情况4：有风情况下的稳态连续点源释放：有风情况下的稳态连续点源释放n情况情况5：无风时的烟团。涡流扩散率是方向的函数：无风时的烟团。涡流扩散率是方向的函数n情况情况6：有风情况下稳态连续点源释放。涡流扩散：有风情况下稳态连续点源释放。涡流扩散率是方向的函数率是方向的函数n情况情况7：有风时的烟团：有风时的烟团n情况情况8：释放源在地面上的无风时的烟团：释放源在地面上的无风时的烟团n其他情况其他情况44个体监测吸入暴露程度个体监测吸入

24、暴露程度 呼吸区测量呼吸区测量n监测一个工人在某种化学物质中的暴露程度，最监测一个工人在某种化学物质中的暴露程度，最常用的方法是呼吸区测量。常用的方法是呼吸区测量。n将一个使用电池提供能量的小型泵固定于工人身将一个使用电池提供能量的小型泵固定于工人身上，这个泵以恒定的速率通过一个捕集管吸气；上，这个泵以恒定的速率通过一个捕集管吸气；n该捕集管入口处为软管，可以从工人的呼吸区吸该捕集管入口处为软管，可以从工人的呼吸区吸气取样；气取样；n在指定的时间范围内取样，监测结果是整个取样在指定的时间范围内取样，监测结果是整个取样时间内的平均值；时间内的平均值；n常用的取样平均时间有两种：正常轮班制的常用的

25、取样平均时间有两种：正常轮班制的8小小时，以及短期暴露时间时，以及短期暴露时间15分钟，可结合进行。分钟，可结合进行。吸入暴露的模型吸入暴露的模型 质量平衡模型质量平衡模型n用来估算工作场所中空气污染物浓度的简单模型。用来估算工作场所中空气污染物浓度的简单模型。n将整个工作区域看作一个盒子，内部污染物均匀分布：将整个工作区域看作一个盒子，内部污染物均匀分布：333300/0.30.7/VCtGkkQCdCVGkQ CCdt：工作区域的体积，长度：工作区域内气体污染物的浓度，质量 长度：污染物已被排放的时间：污染物排放到大气中的速率，质量 时间：混合因子，表示工作区内不完全混合程度，无量纲对于无风扇的小空间， 取值介于到之间：工作区域的通风速