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化工廠工程控制的原則

化工廠工程控制的原則. 替代 substitution: 用焊接管代替 flanged pipes; 用毒性低的溶劑 ; 用水作為熱媒代替油等 減輕 attenuation: 降低溫度壓力，例如使用觸媒，減壓蒸餾等 隔離 isolation: 控制室與操作現場隔開，危險性設備與化學品放在特別房間內等 減量 intensification: 改用小型反應器，減少庫存等 包圍 enclosure: 將整個設備包起來，用氣體輸送法輸送有害粉塵等 局部換氣 local ventilation: 控制有害物產生區的環境氣氛. 化工廠工程控制的原則 (2).

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化工廠工程控制的原則

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  1. 化工廠工程控制的原則 • 替代substitution: 用焊接管代替flanged pipes; 用毒性低的溶劑; 用水作為熱媒代替油等 • 減輕 attenuation: 降低溫度壓力，例如使用觸媒，減壓蒸餾等 • 隔離isolation: 控制室與操作現場隔開，危險性設備與化學品放在特別房間內等 • 減量intensification: 改用小型反應器，減少庫存等 • 包圍enclosure: 將整個設備包起來，用氣體輸送法輸送有害粉塵等 • 局部換氣local ventilation: 控制有害物產生區的環境氣氛

  2. 化工廠工程控制的原則(2) 7. 稀釋通風dilution ventilation: 期望降低有害物濃度，配合過濾系統除去有害物 8. 濕法wet methods: 減少粉塵影響，使用 water spray等 9. 好的管理good housekeeping: 設計清洗系統 (用水或蒸汽), 設計良好的排水系統，可供緊急情況下使用 10. 個人保護: 最後一道防線

  3. 工業通風Industrial Ventilation • 簡單的說就是整體換氣(displacement ventilation)與局部排氣(local exhaust)兩種工程，其目的在於控制作業環境中的有害物或危險物的濃度，使在限制數值之下。 • 整體換氣: 是以新鮮的空氣稀釋被污染的空氣，希望改善室內的空氣品質(indoor air quality) [除污染物外，也要考慮溫度及濕度] • 整體換氣比較不適合: 氣味及粉塵的控制，因為二者的擴散能力強，所以需要的新鮮空氣量大，增加成本。

  4. 換氣量計算 • 依室內人數計算: • 每小時換氣量 m3/hr = 人數 x 每個人每小時換氣量 •  例如勞委會的規定: • 工作場所每一勞工所佔m3每一勞工所需新鮮空氣m3/min • < 5.7 0.6以上 • 5.7 < <14.2 0.4以上 • 14.2 < <28.3 0.3以上 • >28.3 0.14以上

  5. 換氣量計算 (2) 2. 依室內容積計算:  每小時換氣量 = 室內容積 (m3) x 每小時換氣次數 (1/hr) 場所種類 換氣次數 工廠 一般作業室 6 塗裝室 20 發電變電室 20 一般建築 事務室 6 會議室 12 有害氣體塵埃發出的地方 20以上

  6. 換氣量計算 (3) • 依據液體蒸發速率，TLV值計算換氣量，適用於毒性物質: •  換氣量 (m3/min) = {1446 x 溶劑比重 x 106 x 蒸發率 (kg/sec) x K}/(溶劑分子量 x TLV); • K 為安全係數，取3-10之間，依TLV值大小建議如下: • TLV (ppm) >500 500 400 300 200 100 <100 • K 3 4 5 6 8 9 10

  7. 換氣量計算(4) 對可燃液體而言，依據其蒸發量以及LEL計算之: 換氣量 (m3/min) CMM = {1446 x 溶液比重 x 100 x 蒸發率 (kg/sec)}/(分子量 x {LEL x C} x B} 其中B=1 當溫度不高於250oF; B=0.75, 當溫度高於250oF C=25% for一般作業; C=1 – 0.5% for 特殊危害控制情況 LEL: lower explosive limit 燃燒或爆炸下限，一般作業控制在該值的25%處，特殊危害物質作業時，則降低到1 – 0.5%。

  8. 依有機溶劑中毒預防規則計算 溶劑種類 換氣量 CMM 第一種溶劑 作業時間一小時內消費量 (g/hr) x 0.3 第二種溶劑 作業時間一小時內消費量 (g/hr) x 0.04 第三種溶劑 作業時間一小時內消費量 (g/hr) x 0.01 * 適用於單純的有機溶劑或其混合物

  9. 計算範例 • 對象: 乙酸異丙酯- 基本數據 TLV 250ppm; MW=102; 作業空間: 9.3m x 9m x 3.3 m; 飽和蒸汽壓 = 47.5 mmHg (作業溫度下); 第二類有機溶劑; LEL = 1.8%; 比重 = 0.87; 蒸汽密度 = 3.52 kg/m3 • 先估計蒸發速率, 得到5.45 x 10-4 kg/sec • 然後使用不同的方法，估算換氣量: 結果得到 TLV法 = 142.8 CMM; LEL 法 = 3.73 CMM 室內容積法 = 138.1; 有機溶劑中毒預防規則 = 78.5 CMM  理論上應該選取最大的數值，也就是142 m3/min, 作為換氣量工程設計使用。

  10. Evaluation of Worker Exposure to Toxic Vapors l Material balance viewpoint: V dC/dt = Qm – k Qv C Where Qm = source term (evaporation rate of toxic vapor) (mass/time) Qv = ventilation rate (volume/time) k = nonideal mixing factor (=1 for ideal mixing) l At steady state, we get Cppm = Qm RT/(k Qv P M) x 106

  11.  Qm = M K A (Psat – P)/(RT) * K = mass transfer coefficient To estimate K roughly  K = a D2/3 * D is the diffusion coefficient; a = proportional constant For gases: D/Do = (M/Mo)1/2; Do a reference diffusion coefficient  or K = Ko (M/Mo)1/2; Ko is a reference mass transfer coefficient

  12. 其他注意事項 • 排氣管內，要避免有機蒸汽的累積，避免引起火災 (方法之一為增設活性碳的設備，但必須注意活性碳吸附床的保養維修) • 科學園區的半導體廠，曾經因為廢氣的排氣管中，通入不相容的氣體，最後導致火災 • 抽氣量大，可能造成作業環境的溫度下降，也許對製程並不好的效果  需要折中處理 (在製程，環保，安全中，選擇最適化的作業條件)

  13. 人的呼吸 • 進入大型儲槽維修(or 類似情況)，其內的氧氣夠不夠? 基本資料: 正常人的肺部體積5 L, 每次約呼吸500 ml, 其中僅350 ml與肺部交換，呼吸速度約30 L/min (I.e. 每秒一次)，肺部內氧氣濃度約16%; • 人類吸入16%氧的空氣，就會發生不適應現象; 當氧氣濃度降到11-12%, 就會昏迷，6%呼吸停止 • 如果進入純氮容器內工作，又未攜帶空氣鋼瓶，吸幾口氣後就會昏迷? 多久會死亡? • V dy/dt = - m’ y (m’ = 30 L/min; V = 5 L; t =0, y = 0.16) • 解之，當y = 11%時，t = 6.9 sec 會昏迷 • 當 y = 6%, t = 17.9 sec 會死亡

  14. 缺氧狀態的症兆 氧氣含量 症 兆 12-14% 呼吸深沈，脈搏加速，手腳不協調 10-12% Cheyne-Stokes 呼吸(?)，昏眩，poor judgement, 嘴唇變藍 8 – 10% 昏睡感，嘔吐，昏迷，臉泛紅 6 –8% 8 min 100%的生物都會死亡; 6 min 可以救回一半; 4-5 mn 大部分都能救回 4 % 40 sec就昏迷，抽慉，呼吸停止，死亡

  15. 利用電腦模擬計算換氣量 • 以上諸公式，明顯的僅為依據經驗得到，所以不會太精確。若能利用我們對流體力學的知識，模擬作業環境內的流場，物質分佈，乃至於溫度，濕度分佈都可以得到，如此將更有助於精確的設計換氣量，不至於過大或不足。 • 工研院經驗: 可用於噴漆作業，造漆作業，或噴砂作業等所需要的氣流亭設計。

  16. 氣流亭模組單元設計的流程圖

  17. 污染物隨著這氣流穿過右下方百葉槽縫進入過濾區，而被濾除。氣流亭的概念污染物隨著這氣流穿過右下方百葉槽縫進入過濾區，而被濾除。氣流亭的概念

  18. 模組化氣流亭為有效的控制手段。取自工安環保報導第四期模組化氣流亭為有效的控制手段。取自工安環保報導第四期

  19. 氣流亭模組實體及其面速測試

  20. 局部排氣 • 其設計步驟包括: • 氣罩設計: 如上吸，下吸，側吸，吹吸等不同的方式，在最恰當高度，以最經濟風量捕集有害物質 • 管路設計: 計算各段的風管壓損，及壓力平衡 • 尾氣處理設計: 適合排氣成分的處理設備，例如集塵，濕式洗滌塔，活性碳塔等 • 風車: 計算排氣量以及系統的靜壓損

  21. 輸送速度的範圍 有害物 輸送風速 (m/min) 蒸汽，氣體，煙 305 - 370 燻煙fume 427 - 610 非常輕細粉塵 610 - 762 乾粉塵 762 - 1070 重粉塵 1220 - 1370 重或潮濕粉塵 >1370

  22. 9m 活性碳 吹吸式局部排氣設計示意圖。使用理由: 該廢水槽區，污染源面積廣，且風車換氣量有限，因此改為吹吸式，可以不必大幅增加換氣量，節省一些成本。

  23. 打粉機的示意圖。作業期間會造成粉塵溢出的幾個地方:打粉機的示意圖。作業期間會造成粉塵溢出的幾個地方: • A處，儲槽下料的地方 • B處，抽風口 • C處，打完粉後，下料到另一個儲槽 • 個別設計小型的局部抽氣罩，解決粉塵問題。

  24. 排風機，進氣口位置之良莠探討

  25. 理想的設計，都是希望避免污染的空氣接觸到操作人員理想的設計，都是希望避免污染的空氣接觸到操作人員

  26. 氣罩分類 • 包圍型: 一般排氣量較低，效果高，例如覆蓋型，套箱型(glove box), 崗亭式，建築崗亭型等， • 外裝式氣罩: 例如側邊型氣罩，懸吊型全面開口氣罩，懸吊型三面開口氣罩，底邊型氣罩; 側向吸引型，下向吸引型，上向吸引型等

  27. 實驗室則多使用抽風櫃，以控制作業場所有害物或危險物的濃度實驗室則多使用抽風櫃，以控制作業場所有害物或危險物的濃度 圖片取自Labsafety series

  28. 普通的抽風櫃，內部氣體流量與速度分佈，會受開關的大小影響普通的抽風櫃，內部氣體流量與速度分佈，會受開關的大小影響

  29. 可採取by-pass設計。理想狀況是所有的危險物及有害物都會被立即帶走，處理後排放。不宜有eddy current, 將可能造成殘留有害物在氣櫃內。

  30. Glove Box * 取自chemical engineering, p.66, April, 2002;

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