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1、化工工艺和设备安全评价的研究苏建中(福建省劳动保护科学科学研究所)【摘要】 随着我国石油化学工业的发展，化工产品的种类越来越多，生产方法越来越多样化，化工装置日益向规模大型化、生产工艺高参数、生产过程连续化、自动化的方向发展。由于化工生产中所使用的原料、半成品、中间体和产品大多数具有易燃易爆、有毒有害和有腐蚀性的特性，化工生产往往是在易燃、易爆、易中毒、高温、高压的条件下进行。新的化工生产或化工品储存装置的建设，常常也意味一批新的重大事故危险源的出现。对化工装置的火灾、爆炸、毒性事故风险定量评价，得到社会的肯定和广泛的应用，并在化学事故的预防方面起到了良好的作用。为了保证事故风险定量评价结论的
2、真实性，笔者结合实践，从反应过程、主要工艺参数、中毒事故预防措施、燃烧与爆炸事故预防措施、工艺过程控制、工艺管道、安全和可操作性分析等方面，对化工工艺和设备定性安全评价应采取的方法和涉及的内容进行研究。【关键词】化工工艺；化工设备；安全评价；定性1 问题的提出世界上已知的化学品有 500700 万种，在市场上流通的已超过 10万种。当今世界，人们的“衣、食、住、行、用”都离不开化工产品。各种制造业化工产品的使用量更是急剧的增加。需求的增加，必然导致化工行业的迅速发展。我国化肥、染料、农药、纯碱、硫酸、烧碱、合成橡胶乙烯等的产量已经位于世界前列，石油加工能力达到世界第四。与世界和我国石油化学工业
3、的发展趋一样，福建省化学工业的发展也处于蓬勃的态势中。随着福建炼油化工合资项目的实施，福建东南电化氯碱有限公司、泉州泉港海洋聚苯烯树脂有限公司 100 000ta 聚苯乙烯等工程的投产，三明化工有限公司丁二醇项目的建设，福建泰山石化仓储有限公司码头仓储工程的落户?，泉州市泉港区将成为福建省最大的石油化工生产基地。福建省北部，甲醛、氟化工行业等的生产能力也在不断增长。然而，由于化工生产中所使用的原料、半成品、中间体和产品大多数具有易燃易爆、有毒有害和有腐蚀性的特性，化工生产往往在易燃、易爆、易中毒、高温、高压的条件下进行。化工产品的种类越来越多，生产方法越来越多样化，化工装置日益向装置规模大型化
4、、高工艺参数、过程连续化、自动化的方向发展，化学品事故的后果也越来越呈现出瞬间性、大规模和灾难性的特点。新的化工生产或储存装置的建设，也意味一批新的重大事故危险源的出现。这种潜在的危险已经引起政府和社会的高度关切和重视。中华人民共和国安全生产法、危险化学品安全管理条例和安全生产许可证条例都对生产、储存危险化学品建设项目的安全条件论证和安全评价做出了明确的规定。2 化工装置安全性评价的现状针对潜在的危险性，国内、外在化工装置的火灾、爆炸、毒性危险性定量评价方面做了大量研究工作。出现了美国道化学公司(DOW)火灾、爆炸危险指数评价法、英国帝国化学公司(ICI)蒙德部门火灾、爆炸、毒性指标评价法、日
5、本劳动省六阶段法、荷兰劳动总管理局单元危险性快速排序法、世界银行国际信贷公司(Irr)方法、原中国化工部“化工厂危险程度分级”评价法、中国石油化工总公司“石油化工企业安全评价实施办法”等许多适用于化工厂事故风险定量评价的方法。由于能对化工装置的事故风险程度给出一个明确的级别，定量评价方法得到有关方面的肯定并被广泛的应用，在化学事故的预防方面起到了良好的作用。然而，化工装置的危险性往往是隐藏在生产工艺过程和它的设备中。如果离开了对装置内物料的物理化学性质决定的危险性以及反应机理充分认识，离开对装置工艺过程、生产设备固有危险性的全面辩识，离开对其控制系统可操作性和可靠性的分析，以及对装置现有或建议
6、采取的安全技术和事故防范措施的确定等一系列定性的安全评价过程，化工装置火灾、爆炸和毒性危险性的定量评价结论就会失真。因此，在实际应用意义上，定性的安全评价比定量评价更为重要。笔者在化工厂的安全评价中，对这方面的工作做了一些深入的探讨。3 化工装置定性安全评价的内容化工装置中的危险性，可分为第一类危险和第二类危险两种。第一类危险，是指由系统或设备内物料和生产工艺所决定的潜在的火灾、爆炸、中毒和化学灼伤等危险。例如，加工或贮存易燃、易爆、有毒或有腐蚀性物质的设备或系统，属于火源、高温、含氧或高压的设备，误操作可能引起危险的系统或设备等等。但在正常状态下，第一类危险并不直接表现出对人身或设备的危害。
7、第二类危险是指第一类危险失控引起的后果，它直接对人身、设备以及建筑物、构筑物的安全构成危害。第一类危险由化工装置生产过程的特点所决定，在产品和生产工艺确定后，一般是无法改变的。任何事故预防措施，实际上都是为防止第一类危险转化为第二类危险而实施的。化工装置生产工艺和设备的定性安全评价应从以下这几个方面进行。31 反应过程和工艺参数安全评价311 反应过程化工装置一般由反应过程、物料输送、熔融、干燥、蒸发、蒸馏、冷凝、冷却、冷冻、筛分、过滤粉碎混合等单元操作构成。反应器中进行的过程既有化学反应，又有流体流动、传热、传质等物理过程，在这些过程之间还存在着复杂的相互影响。因此，反应器是化工装置的核心。
8、反应过程的选择，对化工装置的安全有非常重要的影响。一般来说，连续过程由于其操作稳定、生产能力大和安全性较好，在化工过程中占主导地位，应当是首选。但对具体问题应作具体的分析。间歇工艺过程则具有过程简单、操作弹性大，设计时可以采用较不详细或精确度较低的数据，所需开发和设计周期较短，装置的通用性较强等优点。在安全评价中，不能简单地将采用间歇生产的化工装置判断为落后的工艺。对于产量小、产品的需求有很强的季节性、生命周期短的精细化工产品、反应速度极慢的化学过程、有泥浆状物料的过程、非常容易结垢或结块需要频繁地清理设备等化工过程，使用间歇工艺是是合理的。有些情况下，间歇工艺甚至是符合安全生产和工艺要求的唯
9、一选择。312 主要工艺参数化工装置的主要工艺参数包括过程的温度、压力、化学反应的物料比、物料在设备中的停留时间和料位等。这些工艺参数的确定要满足物料的平衡转化率、反应速度、相态、后续分离或循环系统要求。在进行安全评价时，应对这些工艺参数对装置安全性的影响进行定性分析。例如，高温下进行的过程，是否会产生对安全生产有影响的副产物，是否有发生反应失控的危险；高工艺参数的使用，是否会加剧设备的腐蚀；在高、低温下进行的过程，其设备材质的使用温度范围和压力是否在限制范围内；会不会加剧静电的产生等等。32 预防中毒事故基本措施化学品对人体毒害作用的危险程度主要取决于物质毒性强弱、作业环境空气中毒物浓度、持
10、续接触时间和频率。化工装置预防中毒基本措施主要有以下要求。(1)设备和管道的连接尽量采用焊接连接。必须用法兰连接时，应选用连接面密封性能满足要求的法兰。(2)含有毒物的气体排放前应经净化处理，或者经环保部门许可后用烟囱排至高空，使其扩散后降低浓度。(3)含毒物的废液，排放前应经净化处理，使其排放浓度合格。(4)含毒物的固体废物尽可能采用燃烧的方法，使有毒物分解后再排放。对于有毒而又无法改变其毒害性的废渣必须经环保部门许可后，采取埋地等方法处理。但这只适用于极少量的废渣。若生产工艺产生大量有毒而又无法处理的废渣，则应禁止采用。(5)设备要尽量露天布置。若不可能，工作场所要配备足够的通风设备。(6
11、)要设置安全梯、紧急出口，并有救急设备或设施，保证毒气散发时现场的人员能安全撤离。33 预防燃烧与爆炸事故措施物质的燃烧危险程度与闪点、自燃点、爆炸极限和燃烧热等有关。爆炸则是由于物质中能量突然释放造成的一种冲击波。二者是紧密联系的。当燃烧剧烈进行时，燃烧物质释放出的大量能量使体积急剧膨胀引起爆炸；由于其他原因引起爆炸时，漏出的可燃性气体遇到火种就会燃烧或爆炸。因此，要减少发生火灾和爆炸危险就应消除引起爆炸燃烧的直接原因和间接原因。直接原因主要是明火、静电、电火花和设备、管道操作压力超过设计允许值等；间接原因主要是设备的温度失去控制，超过该设备的设计温度，使结构遭到破坏；或者放热反应速度急剧增
12、加导致爆炸。化工装置的防燃烧与爆炸的基本安全措施如下：(1)对于开放的工业炉或焚烧炉等有明火的设备，必须根据规范与有易燃易爆物质的区域保持足够的安全间距，并将其布置在主导风向的上风侧。(2)有可能产生静电的设备和管道必须可靠接地。(3)危险区域内的电气设备必须实现整体防爆。(4)有易燃、易爆或其他危险物质的化工装置，不得使用玻璃设备。若没有其他方案可供选择，应进行安全性论证，采取有效事故防范措施。(5)低温设备或者露天安装于严寒地区的设备要考虑低温可能引起的设备冷脆。(6)对于腐蚀性介质的设备和管道应选用耐腐蚀材料和(或) 保证有足够的腐蚀裕度。(7)过高的温度使金属材料的机械强度降低，有可能
13、使设备结构破坏导致爆炸。因此，设备的设计温度，应考虑最恶劣操作条件下可能达到的最高温度。除了正常的温度控制外，应有高温报警和极高位温度联锁切断控制。联锁切断控制的动作可以是：切断进料，停止加热介质，物料紧急排放，备有事故冷却水系统，当停车后仍能继续冷却等。(8)对于危险物质，应根据物质的物理化学特性，采用本质安全的加热介质。例如水蒸气，因为它的温度不会超过该压力下的饱和温度。使用其他加热介质时，物料的温度取决于它的加热速率，控制系统失效时，温度将会失去控制。例如，电加热是特别危险的。(9)避免设备或管道的操作压力超过设计允许值应考虑的措施是：压力容器或管道应设计成能经受得起各种操作状态下可能出
14、现的最大压力。设置压力调节阀，自动调节系统的压力。设置安全阀，当系统压力超过某一设定值时，安全阀自动起跳，当压力恢复后自动复位。安全阀的设定压力取决于设备的设计压力。设置紧急动作阀门，当压力超过一极限后，紧急动作阀门动作，全程打开阀门泄压。设置爆破膜，当系统压力超过某一指定值时，爆破膜破裂，使系统内压力迅速降低。但由于爆破膜在爆破后系统必须停车，因此除非系统内介质有腐蚀性，或者不迅速泄压系统可能爆炸时才使用。(10)控制反应热(温度)的补充措施合理选择反应器的型式是使反应器有理想的温度分布的最重要条件。在反应器的型式已经确定而仍不能满足温度控制要求时，应判断是否可以采取以下方法作为控制温度的补
15、充手段。溶剂蒸发：对于一些物料流动有困难，既不能采用多段绝热床和间壁换热的反应，可以通过反应物或溶剂蒸发再冷凝回流的方法带走反应热。出口物料循环：若产物返回反应器不会降低反应选择性，则可以将反应器出口物料部分循环回反应器。以稀释反应物，降低绝热温升。催化剂稀释：伴有强放热反应的气、固两相催化反应，即使采用列管式换热器，由于管内外温差不能任意调节，管内传热系数比较低，所能传导的热量有限，不能防止反应区热点温度过高而引起失控的问题。这时可采取将惰性颗粒掺到催化剂床层中以降低反应速率，使单位管长所需的传热量降低。惰性稀释剂：当各种控制温度的方法都不宜采用时，可以考虑在反应器进料中加入惰性稀释剂作为热
16、载体。(11)应采取下列措施，使火灾或爆炸万一发生时能减轻其危害程度。保护管架和电缆槽免受火灾的威胁。设备主要物料进出口管线加截止阀。当仪表动力源(仪表空气或电源)故障时，调节阀应能处于安全所需要的开闭状态。必要时设置处理易燃、可燃排放物的火炬系统。重要或危险性大的设备应能遥控操作。34 工艺装置的其他安全措施(1)人可能接触的高温设备和管道的表面，不论工艺是否需要都必须加设防烫伤隔离层，或采取隔离等措施。(2)对于物料有自聚倾向的反应器和储罐应有加阻聚剂的装置，并设冷却、泄压、高温报警等措施。(3)对于接近爆炸范围的操作采取安全泄压措施或者使容器能承受爆炸压力，并设置分析控制仪表、置换和惰性气体稀释系统。35 工艺过程控制由于外界条件的干扰，化工生产过程中工艺参数的波动是不可避免的。因此，控制系统除了满足抑制外部扰动的影响和使过程在优化的工况下工作这两项基本要求外，还应该能将生产过程的工艺参数保持在安全的范围内。化工装置的控制设
