Lecture11-化工设备.

1第十一讲化工设备的环境影响考量22013.4，福建漳州PX（对二甲苯）项目3总体化工过程设计化工过程中，反应器将原料变成产品；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—二甲醚综合反应器5总体化工过程设计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，即分离与再循环系统；6化工设备举例—甲醇钠精馏塔7总体化工过程设计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，即换热网络的设计；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，即公用工程的选择与设计。8总体化工过程设计9化工机械与普通机械的区别化工厂的主要危险：火灾、爆炸和有毒物质释放；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；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部位，发生缓慢的腐蚀性泄漏；也可能在向贮罐中加入物料时，因为液位升高使罐中的蒸汽排出，造成挥发性泄漏。10化工过程的废弃物—加工过程化工过程的废弃物需谨慎处理，加工过程废弃物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；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；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都会产生废弃物。11化工过程的废弃物—公用工程化工过程的废弃物需谨慎处理，公用工程的废弃物主要来自于热公用工程和冷公用工程：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、硫氧化物、氮氧化物、颗粒物等；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植物和人产生直接影响。例如：化工厂的工人可能暴露在生产过程使用或产生的毒性物质中；化学物质能通过呼吸车间里的空气、尘埃，食用被污染的食物，与皮肤或眼睛接触等方式进入机体。化工过程泄漏物或废弃物的影响—局部化工过程泄漏物或废弃物的影响—广域排放物也可能因环境迁移及难降解等因素对更大范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—广域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境污染：1.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；2.陆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，如果没有与水源隔离，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—生物富集排放物也可能因环境迁移及难降解等因素对更大范围的动植物和人产生影响。1616环境化学物的毒性17毒性如何产生毒性是指一种物质能引起机体损害的性质和能力；严格来说，所有物质都有潜在的毒性；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、进入或接触机体的化学物质的剂量、曝露时间、作用部位等很多因素影响。18吸收：环境化学物经各种途径通过机体的生物膜进入血液的过程饮水和食物中的污染物主要经消化管进入机体：口腔黏膜、胃、主要是小肠；某些环境化学物质（如四氯化碳、有机磷农药等）可通过皮肤进入机体，引起损害；空气中的化学污染物主要经呼吸道进入机体。吸收：环境化学物经各种途径通过机体的生物膜进入血液的过程20化学物的分布分布：环境化学物被吸收进入血液和体液后，随血液和淋巴液的流动分散到全身各组织的过程。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、器官的亲和力；例如：铅染毒2小时后，约50%剂量的铅分布在肝内；而一个月后体内残留铅的90%分布在骨骼中。21化学物的贮存血浆蛋白肝和肾脂肪组织骨骼组织有的化学物对其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。22环境化学物的一般毒性及特殊毒性干扰正常受体-配体的相互作用，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经系统；细胞膜损伤，例如：DDT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；干扰细胞内钙稳态，引起细胞损伤。例如：过氧化物、醛类、二噁英和Cd2+、Pb2+、Hg2+等重金属离子等；干扰细胞能量的产生，使细胞不能产生ATP（腺苷三磷酸）；特殊毒性：致突变性、致癌变、生殖发育毒性23环境化学物的一般毒性及特殊毒性—铅环境中的铅主要从消化管（吸收率5-10%），其次从呼吸道（吸收率25-30%）和皮肤进入人体；进入血液的铅，初期分布于肝、肾、脾、肺、脑中，数周后转移到骨骼、毛发、牙齿；测定血铅量可评定人接触铅的水平；铅对目前已知的所有生物均有毒，主要为慢性；血液系统：影响血红素合成而出现贫血等症状；神经系统：神经衰弱，小儿多动症，顽固性头疼，四肢无力等；损害消化系统、肾小管等，机体免疫力下降等；生殖毒性、致畸、致癌（肺癌、肝癌等）24环境化学物的结构与性质：水溶或脂溶，抗分解性机体状况：种属、个体年龄、健康状况的差异接触条件环境因素：气温、气压、湿度等影响毒性作用的因素2525化学物质的暴露性评估26生物体对相同剂量的化学物质可能有不同的反应。使若干人暴露于某种化学物质的同样剂量环境中，并记录反应情况。27有75人接受因一定剂量的物质导致皮肤发炎的试验。反应在从0～10的范围内被记录下来，其中“0”代表没有任何反应；“10”代表强烈的反应。表现出某种明确反应的人数见下表：28偏离均值1个标准差的范围所占的百分比反应-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利影响的人群百分数。LD50剂量：导致50%实验物种死亡的剂量。如果对于化学物质的反应是中毒（非致命但却不可恢复的伤害，如肝脏或肺的损害），那么反应剂量曲线被称为TD曲线。反应-剂量曲线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。将实际剂量与安全剂量对比，可估测相应的风险性。反应-剂量曲线33反应-剂量曲线34危险物质的传播—建立预测模型化工厂内的许多事故都会导致有毒物质的溢出；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、反应失控或外部火焰作用于容器；可选择泄漏源模型来描述有毒物质是怎样从过程系统中释放出来的；然后可建立扩散模型来描述有毒物质是怎样向下风向传输的；后果模型将这些事件的结果转化为对人的影响，例如受伤或致死。35危险物质的传播—泄漏源模型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，或经验方程而建立的；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；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；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，上游条件不因此而立即受到影响。36危险物质的传播—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—液体通过孔洞流出002mcgmcgQACgPQACgP：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39危险物质的传播—泄漏源模型液体经孔洞流出液体经贮罐上的孔洞流出液体经管道流出蒸气经孔洞流出气体经管道流出闪蒸液体液池蒸发或沸腾40危险物质的传播—泄漏及扩散模型扩散模型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；释放发生后，空气中的有毒物质被风以烟羽方式或烟团方式带走；有毒物质的最大浓度是在释放发生处；由于有毒物质与空气的湍流混合和扩散，其在下风向的浓度较低；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）、释放处距离地面的高度、物质释放的初始动量和浮力等。41危险物质的传播—泄漏及扩散模型42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危险物质的传播—泄漏及扩散模型43危险物质的传播—泄漏及扩散模型氟利昂以0.74g/min的速率从一个敞口的蒸气除油器向外排放，若风速为0.79m/min。估算位于除油器下风方位3m处的工人吸入空气中所含氟利昂的浓度：3220.74/min0.1/443.14160.2/min30.0511.50m/minmmQgCgmKxmmQKx：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44危险物质的传播—泄漏及扩散模型情况1：无风情况下的稳态连续点源释放情况2：无风时的烟团情况3：无风情况下的非稳态连续点源释放情况4：有风情况下的稳态连续点源释放情况5：无风时的烟团。涡流扩散率是方向的函数情况6：有风情况下稳态连续点源释放。涡流扩散率是方向的函数情况7：有风时的烟团情况8：释放源在地面上的无风时的烟团其他情况45个体监测吸入暴露程度—呼吸区测量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。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；该捕集管入口处为软管，可以从工人的呼吸区吸气取样；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；常用的取样平均时间有两种：正常轮班制的8小时，以及短期暴露时间15分钟，可结合进行。333000.50.//0.301.7/VCtGkkQCdCVGkQCCdt：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对于具有一般通风条件的工作区域取；对于通风条件差的，无量纲对于无风扇的小空间，取值介于到之间：工作区域的通风速率，长度时间：污染物进入工作区则取域时的浓度，3/质量长度吸入暴露的模型—质量平衡模型用来估算工作场所中空气污染物浓度的简单模型。将整个工作区域看作一个盒子，内部污染物均匀分布：吸入暴露的模型—质量平衡模型适用于操作人员位于排放空气污染物的敞开容器附近。计算得到的浓度是封闭空间内的平均浓度。局部条件可能导致较高的浓度；位于敞口容器正上方的操作人员很可能暴露于较高的浓度中；稳定状态的条件是假设的，即质量平衡中质量增量为零是假设的。00dCVGkQCCGCCtkQd如果排放速率和通风速率为常数，则污染物浓度保持恒定，上式整理为：吸入暴露的模型—质量平衡模型电子器件的清洗池以0.5g/s的速度将CFC-12排放到3m×3m×2.45m的小工作空间里，如果工作空间内的空气流速为0.3m/s，计算正常通风和较差通风条件下的CFC-12的浓度。333330.3/0.3/32.452.21/0.5//0.52.21/=0.45/0.5//0.12.21/=2.27/msQmsmmmsCFC-12CgsmsgmCgsmsgm当空气流速为时，流经工作空间的空气体积为：空气中的浓度为正常通风：通风不好：作业封闭空间内的敞口甲苯容器，在不同的时间进行称量，确定其蒸发速率为0.1g/min，流经封闭空间的空气体积为3m3/s，计算正常通风和较差通风条件下，封闭空间内的甲苯蒸气浓度。本次课结束，谢谢！