化工单元操作安全技术

第三章化工单元操作安全技术单元操作就是指化工生产过程中物理过程步骤（少数包含化学反应，但其主要目的并不在反应本身），是化工生产中共有的操作。按其操作的原理和作用可分为：流体输送、搅拌、过滤、沉降、传热（加热或冷却）、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥、离子交换、膜分离等、按其操作的目的可分为：增压、减压和输送；物料的加热或冷却；非均相混合物的分离；均相混合物的分离；物料的混合或分散。单元操作在化工生产中占主要地位，决定整个生产的经济效益，在化工生产中单元操作的设备费和操作费一般可占到80%～90%，可以说没有单元操作就没有化工生产过程。同样，没有单元操作的安全，也就没有化工生产的安全。《化工原理》已对单元操作的原理及设备进行详细的介绍，本章主要从安全的角度，简要说明主要单元操作中应注意的安全问题。3.1流体及固体输送3.1.1概述化工生产中必然涉及流体（包括液体和气体）和（或）固体物料从一个设备到另一个设备或一处到另一处的输送。物料的输送是化工过程中最普遍的单元操作之一，它是化工生产的基础，没有物料的输送就没有化工生产过程。化工生产中流体的输送是物料输送的主要部分。流体流动也是化工生产中最重要的单元操作之一。由于流体在流动过程中：①有阻力损失；②流体可能从低处流向高处，位能增加；③流体可能需从低压设备流向高压设备，压强能增加。因此，流体在流动过程中需要外界对其施加能量，即需要流体输送机械对流体做功，以增加流体的机械能。流体输送机械按被输送流体的压缩性可分为：①液体输送机械，常称为泵，如离心泵等；②气体输送机械，如风机、压缩机等。按其工作原理可分为：①动力式（叶轮式），利用高速旋转的叶轮使流体获得机械能，如离心泵；②正位移式（容积式），利用活塞或转子挤压使流体升压排出，如往复泵；③其他，如喷射泵、隔膜泵等。固体物料的输送主要有气力输送、皮带输送机输送、链斗输送机输送、螺旋输送机输送、刮板输送机输送、斗式提升机输送和位差输送等多种方式。3.1.2危险性分析3.1.2.1流体输送（1）腐蚀化工生产中需输送的流体常具有腐蚀性，许多流体的腐蚀性甚至很强，因此需要注意流体输送机械、输送管道以及各种管件、阀门的耐腐蚀性。（2）泄漏流体输送中流体往往与外界存在较高的压强差，因此在流体输送机械（如轴封等处）、输送管道、阀门以及各种其他管件的连接处都有发生泄漏的可能，特别是与外界存在高压差的场所发生的概率更高，危险性更大。一旦发生泄漏不仅直接造成物料损失，而且危害环境，并易引发中毒、火灾等事故。当然，泄漏也包括外界空气漏入负压设备，这可能会造成生产异常，甚至发生爆炸等。（3）中毒由于化工生产中需损失的流体常具有毒性，一旦发生泄漏事故，往往存在人员中毒的危险。（4）火灾、爆炸化工生产中需损失的流体常具有易燃性和易爆性，当有火源（如静电）存在是容易发生火灾、爆炸事故。国内外已发生过很多输油管道，天然气管道燃爆等重大事故。（5）人身安全流体损失机械一般有运动部件，如转动轴，存在造成人身伤害的可能。此外，有些流体输送机械有高温区域，存在烫伤的危险。（6）静电流体与管壁或器壁的摩擦可能会产生静电，进而有引燃物料发生火灾、爆炸的危险。（7）其他如果输送流体骤然中断或大幅度波动，可能会导致设备运行故障，甚至造成严重事故。3.1.2.2固体输送（1）粉尘爆炸这是固体输送中需要特别注意的。（2）人身伤害许多固体输送设备往返运转，还可能有连续加料、卸载等，较易造成人身伤害。（3）堵塞固体物料较易在供料处、转弯处或有错偏或焊渣突起等障碍处黏附管壁（具有黏性或湿度过高的物料更为严重），最终造成管路堵塞；输料管径突然扩大，或物料在输送状态中突然停车，易造成堵塞。（4）静电固体物料会与管壁或皮带发生摩擦而使视同产生静电，高黏附性的物料也易产生静电，进而有引燃物料发生火灾、爆炸的危险。3.1.3安全技术3.1.3.1输送管路根据管道输送介质的种类、压力、湿度以及管道材质的不同，管道有不同的分类。①按设计压强可分为：高压管道、中压管道和真空管道。②按管内输送介质可分为：天然气管道、氢气管道、冷却水管道、蒸汽管道、原油管道等。③按管道的材质可分为：金属管道（铸铁管、碳钢管、合金钢管、有色金属管等）、非金属管道（如塑料、陶瓷、水泥、橡胶等）、衬里管（吧耐腐蚀材料衬在管子内壁上以提高管道的耐腐蚀性能）。④按管道所承受的最高工作压强、温度、介质和材料等因素综合考虑，将管道分为Ⅰ-Ⅴ五类（详见相关设计手册）化工生产中输送管道必须与所输送物料的种类、性质（黏度、密度、腐蚀性、状态等）以及温度、压强等操作条件相匹配。如普通铸铁一般用于输送压强不超过1.6Mpa、温度不高于120℃的水、酸、碱性溶液，不能用于输送蒸汽，更不能输送有爆炸性或有毒性的介质，否则容易因泄漏或爆裂引发安全事故。管道与管道、管道与阀门及管道与设备的连接一般采用法兰连接、螺纹连接、焊接和承插连接四种连接方式。大口径管道、高压管道和需要经常拆卸的管道，常用法兰连接。用法兰连接管道时，必须采用垫片，以保证管道烦人密封性。法兰和垫片也是化工生产中最常见的连接管件，这些连接处往往是管路相对薄弱处，是发生泄漏或爆裂高发地，应加强日常巡检和维护。输送酸、碱等强腐蚀性液体管道的法兰连接处必须设置防止泄漏的防护装置。化工生产中使用的阀门很多，按其作用可分为调节阀、截止阀、减压阀、止逆阀、稳压阀和转向阀等；按阀门的形状和构造可分为闸阀、球阀、旋塞、蝶阀、针形阀等。阀门易发生泄漏、堵塞以及开启与调节不灵等故障，如不及时处理不仅影响生产，更易引发安全事故。管道的铺设应沿走向有3‰-5‰的倾斜度，含有固体颗粒或可能产生结晶晶体的物料管线的倾斜度应不小于1%。由于物料流动易产生静电，输送易燃、易爆、有毒及颗粒时，必须有防止静电累积的可靠接地，以防止燃烧或爆炸事故。管道排布时应注意冷热管道应有安全距离，在分层排布时，一般遵循热管在上，冷管在下，有腐蚀性介质的管道在最下的原则。易燃气体、液体管道不允许同电缆一起敷设；而可燃气体管道同氧气管一起敷设时，氧气管道应设在旁边，并保持0.25m以上的净距，并根据实际需要安装逆止阀、水封和阻火器等安全装置。此外，由于管道会产生热胀冷缩，在温差较大的管道（热力管道等）上应安装补偿器（如弯管等）。当输送管道温度与环境温差较大时，一般对管道做保温（冷）处理，这一方面可以减少能量损失，另一方面可以防止烫伤或冻伤事故。对于输送凝固点高于环境温度的流体或在输送中可能出现结晶的流体以及含有H2S、HCl、Cl2等气体，可能出现冷凝或形成水合物的流体，应采用加热保护措施。及时工艺不要求保温的管道，如果温度高于65℃，在操作人员可能触及的范围内也应予保温，作为防烫保护。噪声大的管道（如排空管等），应加绝热层以隔声，隔声层的厚度一般不小于50mm。化工管道输送的流体往往具有腐蚀性，及时空气、水、蒸汽管道，也会受周围环境的影响而发生腐蚀，特别是在管道的变径、拐弯部位，埋设管道外部的下表面，以及液体或蒸汽管道在有温差的状态瞎使用，容易产生局部腐蚀。因此需要采取合理的防腐措施，如涂层防腐（应用最广）、电化学防腐、衬里防腐、使用缓蚀剂防腐等。这样可以降低泄漏放生的概率，延长管道的使用寿命。新投用的管道，在投用前应规定管道系统强度、严密性实验以及系统吹扫和清洗。在用管道要注意定期检查和正常维护，以确保安全。检查周期应根据管道的技术状况和使用条件合理确定。但一般一季度至少进行一次外部检查；Ⅰ-Ⅲ类管道每年至少进行一次重点检查；Ⅳ-Ⅴ类管道每两年至少进行一次重点检查；各类管道没六年至少进行一次全面检查。此外，对输送悬浮液或可能有晶体析出的溶液或高凝固点的熔融液的管道，应防止堵塞。冬季停运管道（设备）内的水应排净，以防止冻坏管道（设备）。3.1.3.2液体输送设备（1）离心泵离心泵在液体输送设备中应用最为广泛，约占化工用泵的80%-90%。应避免离心泵发生汽蚀，安装高度不能超过最大安装高度。离心泵运转时，液体的压强随泵吸入口向叶轮入口而下降，叶片入口附近的压强为最低。如果叶片入口附近的压强低至输送条件下液体的饱和蒸汽压，液体将发生气化，产生的气泡随液体从低压区进入高压区，在高压区气泡会急剧收缩、冷凝，气泡的消失产生了局部真空，使其周围的液体以极高的流速冲向原气泡所占的空间，产生高强度的冲击波，冲击叶轮和泵壳，发出噪声，并引起震动，这种现象成为汽蚀现象。若长时间收到冲击力的反复作用，加之液体中微量溶解氧对金属的化学腐蚀作用，叶轮的局部表面会出现斑痕和裂纹，甚至呈海绵状损坏。当泵发生汽蚀时，泵内的气泡导致泵性能急剧下降，破坏正常操作。为了提高允许安装高度，即提高泵的抗汽蚀性能，应选用直径稍大的吸入管，且应尽可能的缩短吸入管长，尽量减少弯头等，以减少进口阻力损失。此外，为了避免汽蚀现象发生，应防止输送流体的温度明显升高（特别是操作温度提高时更应注意），以保证其安全运行。安装离心泵时，应确保基础稳固，且基础不应与墙壁、设备或房柱基础相连接，以免产生共振。在靠近被告出口的排除管道上装有调节阀，供开车、停车和调节流量时使用。在启动前需要进行灌泵操作，即向泵壳内灌满泵输送液体。离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将储槽内的液体吸入泵内，此时启动离心泵也不能输送液体，这种现象叫做气缚。这同时也说明离心泵没有自吸能力。若离心泵的吸入口位于被吸液储槽的上方，一般在吸入管路的进口处，应装一单向底阀以防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，对不洁净或含有固体的液体，应安装滤网以阻拦液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。启动前还要进行检查并确保泵轴与泵壳之间的轴封密封良好，以防止高压液体从泵壳内沿轴往外泄漏（这是最常见的故障之一），同时防止外界空气从相反方向漏人泵壳内。同时还要进行盘泵操作，观察泵的润滑、盘动是否正常，进出口管道是否流畅，出口阀是否关闭，待确认可以启动时方可启动离心泵。运转过程中注意观察泵入口真空泵和出口压力表是否正常，声音是否正常，泵轴的润滑与发热情况、泄漏情况，发现问题及时处理。同时注意储槽或设备内的液位的变化，防止液位过高或过低。在输送可燃液体时，注意管内流速不应超过安全流速，却管道应有可靠的接地措施以防止静电危害。停泵前，关闭泵出口阀门，以防止高压液体倒冲回泵造成水锤而破坏泵体，为避免叶轮反转，常在出口管道上安装止逆阀。在化工生产中，若输送的液体不允许中断，则需要配置备用泵和备用电源。此外，由于电机的高速运转，泵与电机的联轴节处应加防护罩以防绞伤。（2）正位移泵正位移特性是指泵的输液能力只取决于泵本身的几何尺寸和活塞（或转子等）的运动频率，与管路情况无关，而所提供的压头则只取决于管路的特性，具有这种特性的泵成为正位移泵，也是一类容积式泵。化工生产中常用的正位移泵主要有往复泵和旋转泵（如齿轮泵、螺杆泵等）。这里主要强调与离心泵不同的安全技术要点。由于容积式泵只要运动一周，泵就排出一定体积的液体，因此应安装安全阀，且其流量调节不能采用出口阀门调节（否则将造成泵与原动机的损坏甚至发生爆炸事故),常用调节方法有两种：①旁路调节如图3-1所示，这种方法方便，但不经济，一般用于小幅度流量调节。②改变转速较经济。正位移泵适用于高压头或高黏度液体的输送，但不能输送含有固体杂质的液体，否则易磨损和泄漏。由于吸液是靠容积的扩张造成低压进行的，因此启动时不必灌泵，即正位移泵具有自吸能力，但须开启旁路阀。3.1.3.3气体输送设备按出口表压强或压缩比的大小可将气体输送机械分为：通风机出口表压强不大于15kPa，压缩比1-1.15；鼓风机出口表压强15-300kPa，压缩比4；压缩机出口表压强大于300kPa，压缩比4；④真空泵出口压强为大气压或略高于大气压，它是将容器中气体抽出在容器（或设备）内造成真空。气体输送机械与液体诉输送机械的工作原理大致相同，如离心泵风机与离心泵、往复式压缩机与往复泵等。但与液体输送相比，气体输送具有体积流量大、流速高、管径粗、阻