第三章物理化学

第三章化工厂设计和操作安全2/1/20231化工厂安全贯穿于规划、设计、建厂、试车、投产的全过程。工厂的选地和布局、设备配置和结构材料的微小变化都会对化工安全产生重大影响。本章讨论化工厂设计和操作在安全方面的问题。第一节工厂的定位、选址和布局化工厂的建设应根据城市规划和工业区规划的要求，按经批准的设计计划任务书指定的地理位置选择厂地。危险和防护的一般考虑在工厂的定位、选址和布局中，会有各式各样的危险。典型的一级危险有：

2/1/20232有易燃物质存在；12345678910二级危险为：①火灾②③④⑤⑥2/1/20233对以上二种危险，可设三道防护体。第一道防护体是为了解决一级危险，并防止二级危险的发生。有助于构筑第一道防护体的内容，如：⑴根据主导风的风向⑵为人员对于二级危险，为了把生命和财产的损失降至最小程度，需要实施第二道防护线，在工厂的选址和规划方面采取一些步骤，如：⑴把最危险的区或与人员最常在的区域隔离开；⑵在关键部位安放灭火器材，不管预防措施如何完善，但仍有人身伤害事故发生。第三道防护线是提供有效的急救和医疗设施，使受到伤害的人员得到迅速救治。下面先讨论自然的方法：⑴地形是规划安全时可以利用的一个因素。可适当利用这个地理特征（位置）作为安全工具为我们服务排除这些危险气体，要有充足的水源。2/1/20234⑵主导风向是另一个重要的自然因素。风并不总是沿着主导的方向吹，但是选址和布局所做的是多重选择最佳的一种。⑶人工智能也可以提供一些强化安全的要素，隔开距离就是这样的一种要素。隔开距离实现不同危险之间以及危险和人之间的隔离（如燃烧炉和向大气排放的释放阀之间以及高压容器和操作室之间，都要隔开一段距离）。作为安全工具，可以设计和配置一些物理设施，如救火水系统、安全喷射器、急救站等。以备对付危险之用。工厂的定位问题化工厂的定位，一般遵循以下基本原则：⑴有原料⑵有贮运⑶⑷⑸2/1/20235工厂应避免定位在下列地区：⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺工厂定位时除了谨遵以上禁忌外，考虑德更多的是经济问题。工厂选址的安全问题厂地的安全可靠主要涉及工程地质条件的优劣，厂区范围能否避免由于邻近企业发生事故时而引起火灾危害；能否便于治理“三废”以及同外界的联系与协作等因素。选择厂地的基本安全要求是：⒈有良好的工程地质条件。2/1/202362.在沿江河、海岸布置时，应位于临江河、城镇和重要桥梁、港区、船厂、水源地等重要建筑物下游。3.避开爆破危险区、采矿崩落区及有洪水威胁的地域。4.有良好的卫生气象条件，考虑季节风向、台风强度、雷击等影响和危害。5.与临近企业的关系，要趋利避害厂址布置应在火源的下风侧，毒性及可燃物质的上风侧。6.要便于合理配置供水、排水、供电、运输系统及其他公用设施。四.工厂布局的安全问题。工厂厂区一般可划为以下六个区块：工艺装置区；罐区；公用设施区；运输装卸区；管理区。1.*工艺装置区（各种工艺装置、设备、建筑物等）加工单元可能是工厂中最危险的区域。加工单元应该离开工厂边界一定的距离，应该是集中而不是分散的分布。（1）.要注意产区内主要的火源和主要的人口密集区，由于易燃或毒性物质释放的可能性，加工单元应该置于上述两的下风区。（2）.过程单元除应该集中分布外，还应注意区域不宜太拥挤。因为不同过程单元间可能会有交互危险性，过程单元间要有隔开一定的距离。（3）.对于过程单元本身的安全评价，比较重要的因素有（52页）：①操作温度2/1/20237四.工厂布局的安全问题。工厂厂区一般可划为以下六个区块：工艺装置区；罐区；公用设施区；运输装卸区；管理区。1.*工艺装置区（各种工艺装置、设备、建筑物等）加工单元可能是工厂中最危险的区域。加工单元应该离开工厂边界一定的距离，应该是集中而不是分散的分布。（1）.要注意产区内主要的火源和主要的人口密集区，由于易燃或毒性物质释放的可能性，加工单元应该置于上述两的下风区。（2）.过程单元除应该集中分布外，还应注意区域不宜太拥挤。因为不同过程单元间可能会有交互危险性，过程单元间要有隔开一定的距离。（3）.对于过程单元本身的安全评价，比较重要的因素有（52页）：①操作温度2/1/202382.罐区贮存容器，比如贮罐；是需要特别重视的装置。因罐区都存在危险，容器能看释放出大量的毒性或易燃性的物质，所以要远离车间（人群）和将置于工厂的下风区域。区域为危险区标识。它的布局有以下三个基本问题：⑴⑵⑶以上三个问题密切关系的是贮罐的两个重要的危险，罐壳可能破裂，很快释放出全部内容物；当含有水层的贮罐加热高过水的沸点时会引起物料过沸。罐区和办公室。辅助生产区之间要保持足够的安全距离。事故案例：2/1/202393.公用设施区公用设施区应该远离工艺装置区、罐区和其他危险区，以便遇到紧急情况时仍保证水、电、汽等的正常供应。ａ、管线布置要合理，ｂ、必须保证这些装置至少能从两个方向接近工厂的关节点ｃ、锅炉设备和配点设备可能会成为引火源，应该设置在易燃体设备设备的上风区域。ｄ、冷却塔释放出的烟雾会影响人的视体。也不应靠近铁路、公路或其他公用设施。4.运输装卸区良好的工厂布局不允许铁路支线通过厂区，可以把铁路支线规划在工厂边缘地区解决这个问题。在装卸台上可能会发生毒性或易燃物的溅洒，装卸设施应该设置在工厂的下风区域，最好是边缘地区。(与居民区、公路和铁路要保持一定的安全距离)。2/1/2023105、辅助生产区(包括机修、锻压及热处理车间、化验室、电站等)维修车间和研究室要运畅工艺装置区和罐区。废水处理装置工厂各处流出的毒性或易物汇集的终点，应该置于工厂的下风远程区域。可以把煅烧炉置于工厂的侧面风区域。管理区每个工厂都需要一些管理机构。(办公楼、汽车库、食堂、浴室等)主要办事机构尽可能与工厂的危险区隔离(为事没必要进入厂区，干部不熟悉工厂危险的性质和区域，抽烟会危及工厂的安全)。把管理干部和危险分开会改善工厂的安全状况。2/1/202311以下几点值得注意:液体或蒸气易燃物的源头从火险考虑不应设置在坡上。锅炉房、变电站、泵站应该设置在高地;设置物理屏障系统，以防火险扩散。归纳:工艺生产装置区及储存区是主要的潜在危险区，必需慎重考虑合理布置、以保证安全。2/1/202312第二节、化工工艺设计工艺流程图工艺流程图绘制是化工厂设计初始阶段工作。这些流程线图经过提炼和修改，最后成为管线配置图、平面图、设备图等绘制的基础。在设计程序中，凭借文献、实验室和中试工厂模式的有关资料进行设计是惯常的做法。⑺⑺归纳为以下几点（P54）：2/1/202313⑴工业原料和不太纯的化学品的应用；⑵⑶⑷⑸⑹⑺据具体情况，做更多更详尽的考虑。在进行工艺流程图的绘制时，1）过程每一段的设计都必须满足安全要求，一切可能都必须鉴别估算出来，将其排出或采取预防措施对其进行限制。2）过程的每一步骤都影响着其他步骤的操作（即对每一驱间内部的安全操作及共相互之间的影响要进行分析）。方便的子区间划分是：⑴反应（决定整个系统的动力学）；⑵分离，⑶贮存2/1/202314工艺流程图是描述过程的主要文件，它表示出了主要的设备、主要物流路线和控制点。主要设备的设计能力都做出说明。*任何一种工业产品的存在和发展，它的生产必须具备经济性、可靠性和安全性这三大基本要素。

工艺过程安全是指在化工单元过程中，所进行的氧化、还原、硝化、裂化、聚合等过程；以及化工单元操作蒸馏、冷凝、干燥、粉碎、等操作过程的安全；生产装置的安全是构成装置的各种机器设备、塔罐、槽泵等的耐腐蚀、耐疲劳等有关材质和强度等方面的安全。2/1/202315无数事故告诉人们，如果不从安全技术角度来分析、评价生产技术及其设备，从工厂设计之初就做好安全关，那么，这个工厂的安全生产是很难进行的，设计不当会给以后的生产带来难以医治的后患，要消除这些隐患，将要付出极大的代价。对生产危险性极大的化工生产来讲，尤为突出。设计安全的基本程序见图2/1/202316首先是保障工艺过程的安全。

⑴主要是防止火灾爆炸事故，对工艺参数尤其是温度、压力、流量组分进行控制。以及设置隔断火源及安全检测与控制系统。

⑵在发生异常情况时，设置防止事故及机器设备的破坏的装置，如安全泄压装置和抑制爆炸装置等。

⑶考虑当不能有效阻止事故发生的情况下，设置防止事故扩大的局限设施，如防火墙、防爆墙、防护堤等。二、管线配置图管线配置图是指管路和仪表的线路图，又称为工程线路图。一般包括：（p55）⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾2/1/202317在化工生产中，几乎所有的化工设备与机械之间都是用管道相连接的，用以输送和控制流体介质。化工厂管线的布置，应综合考虑平面与竖向的合理。对可燃气体管线、有毒性液体及气体管线，有腐蚀性的酸碱管线，应尽可能采用地上架设。地下管线埋没设深度，除具有特殊防护设施外，均不少于0.7米，对寒冷地区，尚需考虑土壤冻结的因素。各种管线集中布置在同一管架上，必须保持各管线间的允许距离，并要满足管架与其他建、构筑物的防护、安装及检修要求。等。2/1/202318三、过程物料的安全评价过程物抖的选择，应该就物料的物性和危险性进行详细地评估,对一切可能的过程物聊做总体考虑。过程物料可分为二类：ａ）过程内物料是指从原料到产品的整个工艺流程体上的物料，如原料、催化剂、中间体、产物、副产品、溶剂、添加剂等。ｂ）过程辅助物料是指实现过程条件所用的物料，如传热流体、重复循环物、冷冻剂、灭火剂等。过程物料所需的典型资料如下：p552/1/202319一般性说明资料物料名称和别名。基础物性资料蒸汽密度、相对密度、熔点、沸点易燃性资料闪点、着火点、燃烧极限、自热、反应性资料高速量热、差热分析、撞击实验、热稳定性、毒性资料毒性危险等级、卫生标准、最大允许浓度、半致死浓度或半致死剂量等。暴露作用吸入或食入危险、呼吸刺激、皮肤刺激、眼睛刺激、皮肤或呼吸的敏感度等。发射性资料

放射性测试，α、β、γ、中子射线暴露及其危险等。2/1/202320过程路线选择过程路线的选择是在工艺设计的最初阶段完成的。1.有潜在危险的过程有一些化学过程具有潜在的危险。如发生火灾、爆炸或毒性物质的释放等。具体如下：P56⑴爆炸

⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻2/1/2023212.反映过程的安全分析实现物质转化是化工生产的基本任务。物质转化反应常因反应条件的微小变化而偏离预期的反应途径，化学反应过程有较多的危险性。充分评估反应过程的危险性。有助于改善过程的安全。（P56~P57）

⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻2/1/2023223.有潜在危险的操作完成每一过程都要实施一些具体的操作，有些操作具有潜在的危险。下面列出了一些常见的有潜在危险的操作。P57⑴⑵⑶⑷⑸⑹2/1/2023234.间歇过程和连续过程比较在工艺设计中，需要在间歇过程和连续过程之间做出选择。下面就间歇和连续两种过程方式进行具体比较。（P57）

⑴⑵⑶⑷⑸工艺设计安全校核工艺设计必须满足安全要求。为做好安全可靠和经济合理的设计，在设计工作以及时设计的检查与校核中，都应根据过程和装置的危险性，以及发生危险的各种条件，逐项地研究，建立可靠的安全防护体系，以免由于考虑不周而形成设计缺陷。2/1/2023241.物料和反应的安全校核。P58⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿2/1/2023252.过程安全的总体规范

⑴过程的规模、类型和整体性是否恰当。

⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽3.非正常操作的安全问题P59⑴—（11）2/1/202326第三节化工单元区域规划化工单元规划是定出各单元边界内不同设备的相对物理位置。为充分保证安全区域规划比较难，尽量做到：单元排列、配管、泵送要合理，尽可能为救火或其他紧急操作留有一定的空间；加工单元区域的规划设备的直线排列区域规划方法为：单元中大多数塔器、筒体、换热器、泵和主要管线成直线狭长排列。具体如下：P602/1/202327

⑴设备配置直线的两边与厂区道路连接。易于救大，也可起隔离作用

⑵钢制框架与道路邻接。设备安装维修方便、又节约地盘。

⑶设备配置直线上的精馏塔、热交换器、馏出液接受器、回流筒等装置，一般采用框架结构平坡式布局方式。易于安装、维修、也对易燃或毒性溢流物可以起截流的作用等。

⑷管架也设置在设备配置直线上。即可消除过顶间距太小或是仅敷设在平坡上的管速，也可避免管沟。

⑸泵排设置在设备配置直线的旁边，与道路临接。泵排上面不得有任何障碍物，使得泵和传动装置维修时便于移动。

2/1/202328⑹简体、泵、装配有观测平台的蒸馏塔以及需要桥式吊车钢梁导轨吊入设备，按序定在设备上。从而把相关危险操作集中在一起。设备认定安装在地平面上为宜如蒸馏。立式反应器，需要提供重力自流或泵的负担压头的设备等，设备提升是不可避免的。重的设备应尽量避高位安装，最好和其他设备在同一水平线上或者坚定的基座。各过程单元的其余组件分布在这些直线簇相邻的区域，沿着配置直线的立端点向外延伸。非直线排列设施的配置2/1/202329⑴从操作本身考虑，似乎应该把控制室置于单元区域的中心做到控制塞离各操作观测点的距离最短。控制是应该和高温和高压容器，盛有相当的易燃或毒性液体的容器隔离。（2）把加热炉设计在侧面风区域，应尽量保持加热炉与其他危险设备的适度分离。（3）压缩机容易泄漏气体，应该置于单元的下风区域。（4）对于反应器，主要考虑的是提供充分的空间、反应器内件安全操作的设施以及有关的催化剂。非直线排列设备的配置还包括诸多的公用工程设施。电力线路必须从地下进入加工单元，适当安排入口点，避免在整个单元的电力系统设置人孔。其次消防火栓或监控器必须与危险足够近，但也不能离的太近，危机时无法靠近。在完成区域规划时，应该充分考虑将来发展扩建添加设备的可能性，如在泵区中会为一些附加的泵，甚至是一两个附加的简体，找到合适的充足空间。2/1/2023303、室内装置的配置

对于需要精确的温度控制或需要操作者经常观察的情形，必须把加工单元的部分或全部置于室内。室内释放的毒性或易燃蒸汽会留存在建筑物内，但有必要采取如物理屏障等，实现室内装置的隔离。火源和易燃物源隔离墙的门或开口，易燃蒸汽或液体能够从中通过接近火源，应该保持在最小数量。容易经受爆炸的隔离间可以有一面或多面有意设计的强度较弱的墙壁，以便在避开人员或其他设施的方向卸掉爆炸力。如前所述，危险的集中有助于确定特别危险区的界限。

2/1/202331可以提供的安全设施有：高容量的通风系统；高容量的排水系统，很快排除泄漏的液体；遥控操作加工装置；自动灭火装置，如水喷雾、蒸汽覆盖、泡沫或惰性气体系统这些装置，由于其与人或其他装置的靠近，还必须考虑它们复合的危险作用。在室内，很难过分强调精细设计的平台、扶梯、人行道、出入口或滑运道系统的需要。从高架平台向下的所有扶梯和滑梯孔道，都应设在最小可能遭受火险或毒物泄漏的地点。2/1/202332在室内，很难过分强调精细设计的平台、扶梯、人行道、出入口或滑运道系统的需要。从高架平台向下的所有扶梯和滑梯孔道，都应设在最小可能遭受火险或毒物泄漏的地点。塔器的人孔平台应该有塔内安全维护的充分的空间，打开人孔的方向应该避开从平台向下的扶梯。二、单元区域的管理配置1、管线配置的防泄漏设计工厂化学的主要泄漏与以下各项成比例：管线的长度；排放口的数量；管线的复杂性。设备间隙的增加和危险组件的隔离都会强化安全，但这都需要增加管体的总量或增加管体的长度，从而也增加了泄漏的可能性和工程费用。减少管件泄漏的简单的设计规则如下：见P163（1）~（12）减少分支和死角的数量；2/1/202333

2、软管系统的配置对于油船、罐车等的液体的装卸，软管的选择和应用需格外谨慎。应考虑的是：软管的适用性，并结合有关软管的标准；（2）（3）（4）（5）3、管线配置的安全考虑通常用于管道工程的橡胶支撑物不能用于设备，设备重心之下的水平连接法兰需要钢性板支撑。a)聚四氟乙烯波纹管不能用来连接不同心的管道；b)管件和阀门配置的简单和易于识别，是安全操作的重要因素；c)对于气体和液体，其设计应该考虑沿与设定相反方向流动的可能性。在化工案例中，有大量回流的情形，如：P642/1/202334(1)贮罐或下游管体回流进入已关闭的设备；(2)(3)(4)

在设备管线配置中

a)

对于只是间歇使用的设备，推荐应用不用时断开的软管与过程设备连接。

b)

对于常设的设备管线，如低于或高于正常压力都有应有低压或高压报警。

c)

在设备管线上应该安装止逆阀，以防止管线中流体的回流。

d)

对于泵体或设备极有可能泄漏以及大量物料从设备无限制流出的情形，应该考虑安装远程操作的紧急隔离阀。2/1/202335*配管道常是管子、阀门和法兰等管件的总称。化工厂需用的配管的数量很大，但由于腐蚀造成泄漏而引起火灾和爆炸的事例在化工厂中是众所周知的事实。有关配管的安全措施要查阅有关资料手册，应按照相应标准的有关规定。如：应力腐蚀造成的破坏，措施：采用渗铝钢。高温氧化腐蚀，措施：要用奥氏体不锈钢管、5Cr或9Cr钢管。防止由于杂质或夹杂物造成事故，措施：在泵和阀门的进口装设管道过滤器。2/1/202336三、单元装置和设施的安全设计1、装置安全设计装置、仪表和辅助设施是用来完成各种化学过程或单元操作的，组合在一起构成了一个完整的制造单元。在设计阶段广泛采用的两个重要概念是“故障自动保险”和“二次概率设计”。故障自动保险要求，当装置、仪表或过程控制回路出现故障时，系统恢复到最小危险状态。二次概率设计是指，当操作失误或设备出现故障时会启动备用设备，预防危险出现或降低危险的作用。典型例子有：P65

（1）（2）（3）（4）（5）（6）2/1/202337

2、辅助工程设施安全电气设备在易燃气氛中应该作为火源处理。化工厂操作还需要以下辅助工程款项：（1）（2）（3）（4）（5）（6）对上述款项的主要考虑是：要有充足的供应量以及关闭时备用设备或紧急贮存器的提供。排水系统的优化设计应该是，一旦易燃液体泄漏出来，就立即排离加工单元，导入蓄污池。2/1/202338装置的抗污也是重要的。例如，压缩空气的过程污染可以应用物理隔离的方法避免。对于惰性气体，既要保证日常操作和紧急状态下充足的供应量，又要防止被污染。粉尘捕集装置和过滤器也应该设置于没有其他过程的敞开区域。总之，在设计中一定要按生产工艺状况，确定防爆场所级别，按爆炸介质的性质，正确选择场所中所需要的防爆电气设备，对保证安全生产是至为重要的。压力电机、线缆、变、配电设备以及电气仪表、照明等，因过负荷、绝缘破坏、接触不良、漏电等，都可能造成爆炸性混合物的引爆能源，如处理不当，将会造成严重后果。2/1/202339第四节.压力容器的设计、制造和检验一、压力容器概述压力容器规范化在化工生产过程中使用的容器中，压力容器的数量多，工作条件复杂，危险性很大，因此，压力容器状况的好坏对实现化工安全生产至关重要。案例1：2001年7月14日16时左右，浙江温州瑞安市天宏鞋业有限公司发生压力容器爆炸事故，造成1人死亡。经初步调查，该公司硫化罐操作工人在胶鞋入罐后，由于工作疏忽，在硫化罐压力作用下，快开门突然爆炸打开，冲击1人，后经抢救无效死亡。2/1/202340案例2：1992年3月20日武汉石油化工厂催化装置因液态烃脱硫醇系统液态烃串入非净化风系统，并使液态烃和非净化风一起进入再生器，当与高温催化剂接触后，引起非净化风罐体爆裂长900mm；装置被迫切断进料。事故主要原因是：塔—603、容—602设计无安全阀，单向阀受碱液腐蚀又失去功能。案例3：1997年6月27日，北京东方化工厂罐区发生大爆炸，大火持续5天的时间，在国内国外引起极大的影响和震惊。2/1/202341案例4：加拿大蒙特利尔市的一座化工厂，因一个液体丁烷球罐液面计发生故障，造成液面失控，液体丁烷外溢并气化，被距该储罐180m处的供油区的明火点燃，引起火灾爆炸事故。事故损失额约1183万美元这样的例子还很多，这些血的教训使人们对压力容器制造和安装的规范化有了更清醒的认识。在我国，1981年颁布了《压力容器安全技术监察规程》，因此，压力容器的设计、制造、安装、维修、改造、检验或使用，都必须遵照执行这一规程。2/1/202342*一般情况下，压力容器是指具备下列条件的容器：(1)最高工作压力大于或等于0.1Mpa；(2)内直径（非园形截面指断面最大尺寸）大于或等于0.15m，且容积（V）大于或等于0.025(3)介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。2/1/2023432.非燃火压力容器的分类压力容器的使用很广泛，形式也很多，根据不同的需要，其分类方法也多种多样。照其工艺过程中的作用原理分为反应容器、换热容器、分离容器、贮存容器。(1)反应容器（代号R）主要用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。如反应釜、分解锅、高压釜、蒸压釜、分介塔等。(2)换热容器（代号E）主要是用来做介质的热交换之用。如管壳式废热锅炉、热交换器、加热器、预热锅、消毒锅、硫化罐等。2/1/202344(3)分离容器（代号S）主要作用是将介质通过容器内使之吸收、溶解等方式达到浓度变化，如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、除氧器等。(4)贮运容器（代号C，其中球代号B）主要用于储存（运输）介质的，如各种类型的贮罐（计量槽、贮罐）。2/1/202345按工作压力可以划分为以下四个类型：（1）低压容器（代号L）0.1MPa≤p＜1.6MPa；（2）中压容器（代号M）1.6MPa≤p＜10MPa；

(3）高压容器（代号H）10MPa≤p＜100MPa；

（4）超高压容器（代号U）p≥100MPa。*超高压容器另有专门的安全监察规程。压力容器按照设计压力P和容积V，结合容器的工艺功能和其中物料的危险性，划分为以下三个类型：P67(1).第一类容器：(2).第二类容器：(3).第三类容器：2/1/202346介质的有毒、剧毒和易燃的界限划分：

*（1）剧毒介质是指进入人体的量小于50克即会引起肌体严重损伤或致死作用的介质，如氟氰酸、氢氰酸、光气、碳酰氟等。(2)有毒介质是指进入人体≥50克即会引起人体正常功能损伤的物质，如二氧化硫、氦、一氧化碳、氯乙烯、甲醇、环氧乙烷、二硫化碳、硫化氢等。(3)易燃介质是指与空气混合时，其爆炸极限的下限小于是10%，或其上、下限之差大于20%的介质，如乙烷、乙烯、氢、一甲胺、甲烷、氟甲烷、环丙烷、丁烷、丁二烯等。2/1/2023473.结构材料的机械性能常规机械性能主要包括强度、塑性、韧性、硬度和弹性等。（1）强度常用的强度指标有抗拉强度（σb）、屈服强度（σs）、屈强比和疲劳极值。*设计温度大于－20℃、小于450℃的压力容器σb

和σs

是决定许用应力的基本依据。显然，强度越高，同样设计压力下容器的壁厚可减少，不仅节省材料，而且容器轻巧，温度应力也小。(2)一般中、低压容器可选用屈服强度为25、30、35公斤力/m㎡的钢材；屈强比越小，发生脆性破坏的可能性也越小。但屈强比太低，钢材的强度水平就不能充分发挥。(3)塑性塑性是钢材在外力作用下产生塑性变化的能力，代表塑性指标的是延伸率（σ）和端（断）面收缩率（ψ），当试样的基准长度与其直径比为5时，其延伸率以σs表示。若是焊接钢瓶，碳素钢板的σs应大于或等于19%；若是无缝钢瓶，瓶材为碳素钢时σs≥14%，合金钢则σs≥10%。2/1/202348（3）韧性又叫冲击韧性，它是指材料低抗冲击载荷的能力。材料的韧性用锤击一定形状的缺口试样的冲击功来表示。常用的缺口形式有U型和V型缺口两种。因此对压力容器月用钢还有韧性要求。一般要求U型缺口（又称梅氏）冲击值不低于6公斤••火米/厘米，用作高压无缝钢瓶碳素钢的冲击值要求≥4公斤。米/厘米。(4)硬度硬度是指材料抵抗硬物侵入的能力。如用金刚石压入法，称为洛氏硬度；用刚球压入法，称布氏硬度。(5)安全系数安全系数是承设备设计中的一项基本因素，是为了在设备使用期间对可能损害设备安全的各种因素提供适当的安全裕度。2/1/202349二、压力容器设计1.设计的一般要求压力容器的正确设计是保证容器安全运行的第一环节。(1)设计单位资格压力容器的设计单位，必须持有省级以上（全省级）主管部门批准，同级劳动部门备案的压力容器设计单位批准书。无证单位不准自行设计压力容器。全国性锅炉定型设计，须经国务院主管部门和国家劳动人事部门审批。(2)压力容器结构容器设计的结构上必须尽可能防止应力集中或局部受力状况的恶化。要力求截面变化平缓，避免不连续性，为此，压力容器大多数设计成筒形或球形。一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔与接管、安全附件及支座等到部分组成。2/1/202350

要防止因结构不合理而引起的破坏事故，压力容器受压元件的结构设计应符合以下原则：A.防止结构上的形状突变。例如，在容器结构上禁止采用平板封头或锥角过大的锥形封头；受压元件截面变化应力求平缓，避免不连续性。B.避免局部应力叠加。在受元件中总是不可避免地存在一些局部应力集中或部件强度受到削弱的结构，如开孔、转角、焊缝等部位。设计时应使这些结构在位置上相互错开，以防局部应力叠加，产生更高应力。C.避免产生过大焊接应力或附加应力的刚性结构。刚性结构，既可能因焊接时胀缩受到约束而引起较大的焊接应力，也可能使壳体在压力或温度变化时因变形受到过分约束而产生附加弯曲应力，设计受压元件时应采取措施，避免刚性过大的结构。E.对开孔的形状、大小及位置的限制。受压壳体（包括筒体与封头）上的开孔应为园、椭圆或长园形；大小应符合规定；位置应避开焊缝和凸形封头的过度区等，并在开孔处补强。2/1/202351材料的选用材料大多数是钢制的，钢材的选用是否合适是设计中的一个关键问题。如果选材不当，就会由于材料韧性降低而发生脆性断裂，或者由于工作介质对材料产生腐蚀而导致腐蚀破坏等。所采用的钢材应符合《钢制压力容器》的规定，含碳量大于0.24%的材料，不得用于焊制容器。*压力容器用钢的一般要求：1)主要承压元件必须采用镇静钢（此钢脱氧完全，组织比沸腾钢均匀，冲击韧性比沸腾钢好）。2)要求钢板分层，夹渣等缺陷尽量少，不允许有白点及裂纹。3)良好的综合机械性能。即要求钢材强度高，塑性和韧性好，较低的冷脆倾向，较低的缺口和时效敏感性。4)具有良好的工艺性能。如轧制、成型、锻造和焊接性能。5)具有对介质的耐腐性。具体用钢板的选用可参见手册或有关书。2/1/2023522、设计基础

（1）设计压力和设计温度压力容器的设计压力应大于或等于最高工压力。当容器装有安全泄放装置（如安全阀、爆破片）时，设计压力不得小于安全阀的初始起跳压力或爆破片的设计爆破压力；若工艺系统装有安全汇方装置，单个容器不再装设时，则取系统最高工作压力增加适当裕度后，作为容器的设计压力。设计温度决定了承压设备强度计算壁温，一般应采取正常操作时相应的设计压力下壳壁可能达到的最高或最低壁温。

（2）最小板材厚度P71

大直径低压容器的板材厚度常是任选的而不是基于设计压力计算出来的。设计规定，2/1/202353（3）外压或真空许多过程容器是在外压或真空下，或偶尔是在这些条件下操作。在应用这项规范弃权时，应该充分考虑到各种可能的后果，如罐体破裂时人员危险、财产损失和危险等。外压设计是一项在许多徒然花费的容器中反复试验的工作。几乎在所有情况下，真空设施和密封管的使用费用都比真空设计费用低。

（4）材料选择结构材料选择在多数情况下都属经验问题。过去证明满意的材料，除非有充分的更换理由，在类似情况下很可能又被使用。如当压力和温度条件允许时，可以采用金属镀层、玻璃、橡胶、塑料衬套，而不必采用贵重的合金。根据具体情况选择。2/1/202354（5）非压力负荷容器及其支架的设计必须与以下各项负荷匹配：容器及其内容物的重量；隔板、蛇管等内件的重量；搅拌器、转筒待等外件的重量；平台、配管等外部设施的重量；固定负载和移动负载的重量；风力和地震负荷。（6）支架（支座）立式容器一般用立柱和耳柄支撑有时还会用到环形槽钢或折边。对于用立柱或耳柄支撑的大型容器，应该详细考察支撑物对壳体的作用。大型卧式容器常用三个或更多的鞍形托架支撑。P72

对于小型容器其支架的设计由于支撑附件造成的二次应力、扭矩和剪切力，可能会比大型容器复杂得多。2/1/202355（7）封头封头是园筒形容器的主要承压部件，作为容器的封端，与园体组成一个完整的压力容器。通常把与园筒体焊接成一体的容器的端部结构称为封头，而把与筒体由螺栓、法兰连接的可拆结构称为端盖。封头的形式较多，以它的纵剖曲线形状来分，有半球形、碟形、椭圆形、无折边球形等。在压力作用下，封头壳壁上的应力大小σ和分布都与它的形式有关。椭圆形封头在压力容器中被广泛采用。2/1/202356三、压力容器的制造和安装1.压力容器制造(1)国家对压力容器制造（含现场组焊）单位，实行制造资格认可制度，并进行分级管理。没有制造许可证的单位，一律不得制造或组焊压力容器。制造单位应严格执行国家法规、标准规范、按设计文件制造和电焊压力容器。（2）压力容器制造单位应建立压力容器质量保证体系，编制压力容器质量保证手册，制定企业标准（包括管理制度、程序文件、作业指导书、通用工艺及特殊方法标准），保证压力容器产品的安全质量。2/1/202357（3）压力容器出厂时，制造单位必须按照《容规》的规定向订货单位提供有关技术资料。

*①竣工图样。图样上应有设计单位资格印章等。

②产品质量保证书及产品名牌的拓印件。

③压力容器产品安全质量监督检验证书。

④提供产品使用说明书，一切附件清单等。

⑤现场组焊的压力容器竣工并经验收后，提供所有资料。压力容器安装(1)安装作业必须执行国家有关安装的规范；安装过程中应对安装质量实行分段验收和总体验收。(2)压力容器安装竣工后，施工单位应将竣工图、安装及复验记录等技术资料及安装质量证明书等移交给使用单位。2/1/202358四、压力容器定期检验

通过检验，发现容器存在的缺陷，使它们没有危及容器安全之前即被消除或采取适当的措施进行特殊监护，以防压力容器的运行中发生事故。⒈检验周期一般情况下，压力容器每年至少作一次外部检查，每三年作一次内外部检查，每六年进行一次全面检查。*检验周期根据具体情况可适当延长或缩短。⒉检验内容（内外部检验和耐压实验）（1）外部检查指专业人员在压力容器运行中定期在线检查。主要内容是：压力容器及其管道的保湿层、防腐层等是否完好；外表面有无裂纹、变形、腐蚀和局部鼓包；所有焊缝及连接部位有无泄漏等；运行参数是否符合安全技术操作规程；运行日志与检修记录是否保存完整。2/1/202359

（2）内外部检验指停机时的检验。检验内容除外部检验的全部内容外，还包括以下内容的检验：腐蚀、磨损、裂纹、衬里情况、壁厚测量、金相检验、化学成份分析和硬度测定。

（3）全面检验全面检验除内、外部检验的全部内容外，还包括焊缝无损探伤和耐压试验。⒊压力试验压力容器的耐压试验和气密性试验，应在内外部检验合格后进行。需要进行气密性试验的压力容器，要在液压试验合格后进行。对于气密性试验，达到规定的试验压力后保持30min，在焊缝和连接部位涂肥皂水进行试验。2/1/202360五、压力容器安全附件安全附件是承压设备安全运行的重要组成部分。安全阀、压力表、和水位计是锅炉必不可少的安全附件。*安全附件的设计、制造，应符合相应的国家标准规定。用于压力容器的安全附件包括安全阀、爆破片、紧急放空阀、液位计、压力表、单向阀、限流阀、温度计、喷淋冷却装置、紧急切断装置、静电消除装置、防雷装置等。安全附件应实行定期检验制度。安全阀一般每年至少校验一次。爆破片应定期更换。2/1/202361（1）安全阀

运行时，安全阀保持严密不漏；当压力超过设定值时，安全阀在压力作用下自行开启，使容器泄压，以防止容器或管线的破坏；当容器压力泄至正常值时，它又能自动关闭，停止泄放。安全阀按整体结构和载机构的形式可分为杠杆式、弹簧式和脉冲式三种，最常用的是弹簧式安全阀。优点：结构轻便，紧凑，灵敏度较高。安装方位不受影响，对振动的灵敏度差，故可安装在移动式压力容器上。安全阀的选用应根据容器的工艺条件及工作介质的特性从安全阀的安全泄放量、加载机构、封闭机构、气体排放、工作压力范围等方面考虑。2/1/202362（2）爆破片爆破片又称防爆片（板、膜），是一和断裂的安全泄压装置。优点：密封性能好，反应动作快以及不易受介质中粘污物的影响等。它是通过膜片的断裂来卸压的，所以卸压后不能继续使用，因此，只是在不宜安装的压力容器上使用。防爆片的结构比较简单。它的主要零件是一块很薄的金属板，用一副特殊的管法兰夹持着装入容器引出的短管中，也有把膜片直接与密封垫片一起放入接管法兰的。它的设计压力一般为工作压力的1.25倍，对压力波动幅度较大的容器，其设计破裂压力还要相应大一些。2/1/202363（3）压力表压力表是用以检测流体压力强度的测量仪表，最常见的压力表有弹簧式和活塞式两种。

①：*单弹簧管、多圈螺旋形弹簧管、薄膜式等多种。选用压力容器表时，应该根据被测压力的大小、安全位置的高低、介质的性质（如温度、腐蚀性等）来选择精度等级、最大量程、表盘大小及隔离装置。如当工作介质有腐蚀作用时，应选用薄膜式压力表。低压容器使用的压力表精度不应低于2.5级（中压≥1.5级）。压力表盘刻度极限值为最高工作压力的1.5~3.0倍。最好选用2倍。表盘直径还应大于100mm。

2/1/202364压力表的校验和维护应符合国家讲师部门的有关规定。对用于水蒸汽介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装有水弯管。对用于具有腐蚀性或高粘度介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装设有隔离介质的缓冲装置。（4）液位计液位计（液面计）是压力容器的安全附件。一般压力容器的液面显示多用下班玻璃板（管）液位计。应当根据压力容器的介质、最高工作压力和湿度正确选用液面计，并应安装在便于观察的位置。2/1/202365如寒冷地区室外使用的液面计，应选用夹套型或保温型结构的液面计；用于易燃、毒性程度为极度、高度危害介质的液体压力容器上，应采用板式或自动液面指示计并应有防止泄漏的保护装置。（实行定期检修）（5）泄压装置功能：当容器在正常压力下运行时保持严密不漏；而一旦容器内压力超过限度，它就能自动地把容器内的气体排出，即刻恢复原压。同时，它还有自动报警作用。结构型式可以分为阀型、断裂型、熔化型和组合型等几种类型。2/1/202366第五节化工装置维护一、化工维护的必要性化工生产具有高温、高压、腐蚀性强的等物性，因而，化工设备、管道、阀门、仪表等在运行中易于受到腐蚀和磨损。为了维持保养不善，使用不当，必然要发生各种各样的事故，导致生产停顿，计划打乱；或由于设备性能和精度不符要求，浪费能源，次品率上升；或因跑、冒、滴、漏损失资源、污染环境、恶化劳动条件；或由于腐蚀、疲劳、蠕变等造成设备破裂、爆炸，人员伤亡，财产损失，所以，设备是实现化工安全生产的物质保证。2/1/202367

案例1：1984年12月3日印度博帕里市一农药厂的甲基异氰酸酯毒气外泄事故。12月2日，甲基异氰酸酯贮罐温度上升，蒸汽压增大，贮罐上自动安全阀失灵，事故阀未能发挥作用。3日凌晨1点，安全阀破裂，气体涌向洗涤器，因一个洗涤器不能应付如此大量喷出的气体。最后一道防线是将排放的气体烧掉，但火炬又未能点燃。因而导致大量毒气外泄，毒气覆盖了25k㎡，造成2000多人丧生，203人中毒，673人处在毒气的威胁下，成为世界工业史上罕见的重大伤亡事故。案例2：1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机升空721秒后突然爆炸，7名机组人员全部遇难。原因是一个小小的密封圈失效。2/1/202368案例3：2001年8月17日，江苏省大丰市金龙有限责任公司制冷车间发生氰气泄漏事故。据公司有关人员介绍，凌晨4时许，制冷车间制冷机突然发生故障，强大的气流把当班的2名工人击倒，其中1人死亡，1人重伤。从以上案例可知，化学工业中的恰当维护对安全显得格外重要，只有及时消除装置、设备的缺陷和隐患，才能保证生产装置能够“安、稳、长、满、优”运行。2/1/202369二、预防维护由于化工生产的危险性大，决定了生产装置维修的危险性亦大。实践证明，街道装置在停车、检修施工、复工过程中最容易发生事故。设备没及时维修的事故更多，因此，要严格按照明确计划的时间表检验、维修和更换设备，可以防止许多事故。对安全和生产的好处是显而易见的。什么是预防维护？预防维护实质上指的是一个系统，它的功能是确定装置或设施故障的可能频率，在其失效前就进行检验、维修或更换。一般故障概率分布曲线呈驼峰形（正态分布），波峰在中位时间。所以需要排定维护时间表，在故障的可能性达2%或其他某个选定的数之前就采取行动。这样就在事故发生之前就已经采取了维护。2/1/202370这就需要预先知悉中位时间方面的信息，应用类似操作已有的经验、损坏速率的研究成果以及其他分析方法。制定出最隹维护日程和时间应该与设备的利用率、材料的利用率、应用的维护设施和人力匹配。为完成这个目的，预先计划、应用日程表和让每个人都知晓是关键。必须做到集中领导、统筹规划、统一安排，并做好“四定”（定项目、定质量、定进度、定人员）和“八落实”（组织、思想、任务、物质包括材料与备品备件、劳动力、工器具、施工方案、安全措施落实）工作。下面给出化工厂泵的预防维护工作程序的一个典型例子。P78（1）~（7）2/1/202371

预防事故的适当维护不仅是为了免于设备故障，对于保护人身安全也有重要作用。这可以从以下方面考虑。预防操作人员遭受由维护工作引起的环境危险。预防操作人员遭受由操作条件引起的危险。预防维护人员遭受自己工作引起的危险。补充：*一、化工检修的准备化工检修的准备工作一般包括以下几点：⒈组织领导中修或大修前要成立厂长（经理）为总指挥的机构，下设施工检修组、质量验收组、停开车组、物资供应组、安全保卫组、政工宣传组、后勤服务组等。针对装置检修项目及特点，明确分工，分片包干，各司其职，各负其责。每个项目都要有安全负责人。2/1/202372⒉制定安全检修方案安全检修方案，按设备检修任务书中的规定格式认真填写齐全，其主要内容应包括：检修时间、设备名称、检修内容、质量标准、工作程序、施工方法、超重方案、采取的安全技术措施，并明确施工负责人、检修项目安全员、安全措施的落实人等。方案编制后，通过一系列的审查并签字，重大项目或危险性较大项目的检修方案、安全措施，由主管厂长或总工程师批准，书面公布，严格执行。⒊制定检修安全措施针对检修作业内容、范围，制定相应的安全措施；安全部门还应制定教育、检查、奖罚的管理办法。2/1/202373⒋进行技术交底，做好安全教育负责人向参加检修的全体人员进行检修方案技术交底，使其明确检修内容及一切程序，达到分工明确、责任到人。进行系统全面的安全技术和安全思想教育，以提高执行各种规章制度的自觉性和落实安全技术措施重要性的认识，使其从思想上、劳动组织上、规章制度上、安全技术措施上进一步落实，从而为安全检修创造必要的条件。⒌全面检查，消除隐患检修工作中，使用的各种工具、器具、设备，特别是超重工具、脚手架、登高用具、通风设备、照明设备、气体防护器具和消防器材，要有专人进行准备和检查。2/1/202374三、非常规运行和有关作业的维护⒈停车和开车化工装置在停车过程中，要进行降温、降压、降低进料量，一直支切断原燃料的进料，然后设备倒空、吹扫、轩换等工作。应严格按照停车方案确定的时间、停车步骤、工艺变化幅度等，有秩序地进行。2/1/202375停车操作应注意以下几点：①降温降压的速度应严格按照工艺规定执行。如降温降压的速度不宜过快，尤其在高温条件下。易燃易爆介质的泄漏会引起着火爆炸，有毒物质泄漏易引起中毒。②开关阀门的操作一般要缓慢进行。如先打开头两扣后要停片刻，然后再逐渐开大，直至达到要求为止。以防产生震动而损坏设备和管道。③装置停车时，所有设备及管道内的液体（气体）物料应尽可能倒空，送出装置，可燃、有毒气体应排至火炬烧掉。对残存物料（易燃、有毒）的排放，应采取相应的措施，不得就地排放或排入下水道中。2/1/202376⒉容器作业（1）进入设备作业内容凡是进入塔、釜、罐、炉、器、烟囱、料仓、地坑或其他闭塞场所内进行作业者均为进入设备作业。因为这类设备或设施内可能存在残存的有毒有害物质和易燃易爆物质，也可能存在令人窒息的物质，在施工中可能发生着火、爆炸、中毒和窒息事故。因此，必须对进入设备作业实行特殊的安全管理，以避免意外事故的发生。*在设备内检修、动火时，氧含量应为19%~21%，燃烧爆炸物质浓度应低于安全值，有毒物质浓度应低于最高容许浓度。2/1/202377（2）进入设备作业证制度进入设备作业前，必须办理进入设备作业证。在进入设备内作业期间，生产单位和施工单位应有专人进行监护和救护，并挂上“设备内有人作业”、“有人检修、禁止合闸”的牌子。（3）进入设备内作业的注意事项（保护措施）

①~⑩P80[案例]不置换、分析，盲目入罐1980年青海省某化肥厂检验脱硫塔，检修时仅打开了人孔盖，而未进行置换和采样分析化验，便派人进入罐内作业。入罐检修人员又未带防毒面具，结果入罐8人全部中毒，其中2人死亡。

2/1/202378*罐内作业的安全要点：

①可靠隔离绝不允许其他系统中的介质进入检修的罐内。

②切断电源如取下保险丝、拉下闸刀并挂牌。

③空气置换3、紧急维护由于维护意味着防止紧急维修，此处的紧急维护应该更恰当地称为紧急维修。比如，与氯气贮罐连接的管接头断开，我们将如何应对。应该事先而不是事后去维护。2/1/202379意外事故维护的关键是，事先决定好谁应该做什么、用什么去做、将其排成序列，一旦事故发生就按部就班地执行和完成。a)遇有地下管道破裂的情形，怎样处理都应事先设计好。b)电线断路也应该有事前准备。比如，供电转换线路和配电设施都要事先准备好。这些都是紧急维护的典型问题，问题的解决需要而且应该事先计划好。紧急维护遵循的一个原则是，如果通常维护的某个方法是不安全的，在紧急条件下应用这个方法会加倍的不安全。不安全的作业，应该严格禁止。2/1/2023804、切割、焊接和其他动火作业凡是动用明火或可能产生火种的作业都属于动火作业。例如，电焊、气焊、切割、熬沥青、喷灯等明火作业；打墙眼、电气设备的耐压试验、电烙铁等易产生火花或高温的作业。因此，凡检修动火部位和地区，必须按动火要求，采取措施，办理审批手续。（1）审证在禁火区内动火应办理动火证。要做到“三不动火”，即没有动火证不动火，防火措施不落实不动火，监护人不在现场不动火。2/1/202381（2）动火动火应由经安全考核合格的人员担任，无合格证者不得独自从事焊接等工作。动火作业出现异常时，监护人员或动火指挥应果断命令停止动火，待恢复正常，重新分析合格并经批准部门同意后，方可重新动火。

例如：国外一家企业在检修气罐时，一名焊工和一名装配工因钻孔时所产生的火花引起工作服着火，两人因火烧伤而死亡。分析原因是罐内含氧量过高（含氧量在30%左右）。（3）善后处理作业人员进入作业地点前穿戴好防护用品，作业时作业人员应选择合适