淺析化工工藝安全設(shè)計中危險識別和控制

薛景奎

摘 要：化工生產(chǎn)與國民經(jīng)濟發(fā)展有著緊密的關(guān)系，而化工生產(chǎn)安全是其穩(wěn)定發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在化工生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設(shè)備管理和工藝設(shè)計是否科學合理，安全設(shè)計中的危險識別與控制工作是否到位，很大程度上決定了生產(chǎn)的安全性。尤其是對于甲醇制烯烴的化工生產(chǎn)工作，由于其涉及到眾多的易燃易爆、有毒有害物質(zhì)，因此在其生產(chǎn)工作中，一方面對于生產(chǎn)中的危險物質(zhì)要進行科學管理，做好危險防范措施；對于工藝線路的規(guī)劃，要降低危險產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而降低生產(chǎn)風險；對于反應(yīng)設(shè)備，更要從機械、電氣、結(jié)構(gòu)等多方面出發(fā)，全面分析可能造成生產(chǎn)事故的風險因素，制定對應(yīng)的安全防范和應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：化工工藝；危險識別；控制

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家對工業(yè)生產(chǎn)的安全性逐漸重視起來?；て髽I(yè)的生產(chǎn)工作具有工藝路線復(fù)雜、物料與產(chǎn)物危險性大等特點，因此成為了工業(yè)安全管理和控制工作的研究重點。在甲醇制取烯烴的化工生產(chǎn)工藝流程中，更是呈現(xiàn)出危險物質(zhì)眾多、設(shè)備工藝管理復(fù)雜等特點。雖然隨著設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，甲醇制烯烴工藝在安全性上已經(jīng)有了很大的提高，但仍然存在著許多安全隱患。因此在其化工工藝安全設(shè)計中要強化安全控制措施，提高操作人員的安全素養(yǎng)和安全技能培訓，對于物料管理、工藝規(guī)劃和設(shè)備安全控制都要做出嚴格規(guī)范。這樣不僅可以有效防范生產(chǎn)事故的發(fā)生，提高對突發(fā)事故的應(yīng)對能力，更能提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。

1 甲醇化工設(shè)計及其特點

1.1 甲醇制烯烴的主要工藝流程

聚乙烯、聚丙烯等高碳烯烴是現(xiàn)代化工生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)原料。而甲醇制取聚乙烯、聚丙烯的MTO工藝是目前制取烯烴的重要的化工工藝。在該種方法中，以煤或天然氣所制取的甲醇為原料，通過脫水反應(yīng)形成含有二甲醚的混合物，后轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，再通過縮聚反應(yīng)等形成高級烯烴。該工業(yè)流程的反應(yīng)裝置主要包括進料系統(tǒng)、反應(yīng)器、再生器以及主風系統(tǒng)等，另外還有急冷塔、水洗塔和熱量回收系統(tǒng)等。

1.2 甲醇制烯烴的特點

甲醇制烯烴的MTO反應(yīng)將常見且廉價的化工原料甲醇，合成烯烴等重要的化工產(chǎn)品，具有很強的應(yīng)用意義，已經(jīng)在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但在甲醇制烯烴的反應(yīng)過程中，會產(chǎn)生易燃易爆氣體，如二甲醚、一氧化碳、烯烴、氫氣等，這類氣體在高溫反應(yīng)器內(nèi)生成，一旦發(fā)生泄漏與氧化劑混合，極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸；而該反應(yīng)的產(chǎn)品和副產(chǎn)品中的許多成分還具有毒性，如果發(fā)生泄漏，可能引起操作工人的慢性或急性中毒；MTO工藝反應(yīng)還會有一定量的醋酸等酸性物質(zhì)產(chǎn)生，這類物質(zhì)具有腐蝕設(shè)備、線路的危險。因此在甲醇化工工藝中要特別注重安全性，消除潛在的安全隱患，對于可能發(fā)生的事故制定合理的應(yīng)對措施。

2 化工工藝安全設(shè)計中的危險識別

目前，國內(nèi)外大多數(shù)化工工藝在設(shè)計階段就開展危險識別，找出工藝偏差和危險點，為更合理的工藝設(shè)計和制定科學的安全措施提供依據(jù)。大多采用工作危害分析（JHA）、安全檢查表分析（SCL）、危險與可操作性分析（HAZOP）、故障樹分析（FTA）等分析方法。對工藝物料、工藝路線、反應(yīng)裝置等進行危險識別，找出可能出現(xiàn)的危害后果，從而找出故障發(fā)生的原因以及應(yīng)當采取的控制預(yù)防措施。

2.1 工藝物料的危險特性

化工生產(chǎn)的工藝物料，是指生產(chǎn)活動中使用的原料或產(chǎn)生的產(chǎn)品、半產(chǎn)品以及副產(chǎn)品等。這些物料對外界環(huán)境要求較為嚴格，一般具有易燃易爆、毒性或腐蝕性等特點，因此需要從生產(chǎn)流程出發(fā)，對化工生產(chǎn)所涉及到的物料進行危險性分析，從而制定合理的安全措施，預(yù)防生產(chǎn)事故的發(fā)生。由甲醇制烯烴的MTO的主反應(yīng)方程2CH3OH→C2H4+2H2O、3CH3OH→C3H6+3H2O可以看出，其以工業(yè)甲醇為原材料。由于工業(yè)甲醇大都以煤或天然氣合成，因此其中一般混有氫氣、一氧化碳、甲烷等雜質(zhì)氣體。而主反應(yīng)的產(chǎn)物除了乙烯和丙烯以外，還會產(chǎn)生一定量的乙烷、丙烷等副產(chǎn)物。另外，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，MTO反應(yīng)中還會由于副反應(yīng)而產(chǎn)生少量的二氧化碳、醋酸等酸性物質(zhì)。在各類有害物質(zhì)中，氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、二甲醚和甲醇都具有易燃易爆的特性，容易在反應(yīng)過程中引發(fā)火災(zāi)或爆炸危害；一氧化碳、乙烯、丙烯、甲醇等屬于有毒物質(zhì)，它們的氣體、粉塵等一旦發(fā)生泄漏，容易引起操作人員的急性和慢性中毒，需要特別防范；而副反應(yīng)所產(chǎn)生的二氧化碳、醋酸等物質(zhì)還具有一定的腐蝕性，若產(chǎn)物的儲存設(shè)備沒有考慮耐腐蝕性，就容易發(fā)生泄漏，對設(shè)備以及電氣線路造成損害。另外需要注意的是，在不同批次產(chǎn)品生產(chǎn)工作的中途進行置換作業(yè)時，除了會有參與反應(yīng)的工藝物料以外，還需要使用惰性氣體（如氮氣）對反應(yīng)裝置進行吹掃。這類惰性氣體雖然無毒無害，卻容易發(fā)生殘留，若因置換操作不當導(dǎo)致惰性氣體沒有排盡，就可能發(fā)生操作人員窒息等危險。

2.2 工藝路線的危險識別

雖然甲醇制取烯烴反應(yīng)的原理是相同的，但根據(jù)原料特點、環(huán)境條件的不同，可以設(shè)計出不同的工藝路線。如何設(shè)計更加安全高效的工藝路線，不僅要提高反應(yīng)的效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠降低化工生產(chǎn)的危險性，提高安全性，是工藝安全設(shè)計人員需要考慮的問題。一般來說，工藝路線的設(shè)計盡量減少危險物質(zhì)的使用，盡可能使原料或產(chǎn)物為無毒、低毒物質(zhì)，降低因生產(chǎn)條件變化對反應(yīng)的影響，即使發(fā)生小規(guī)模泄漏也便于控制；降低生產(chǎn)設(shè)備的危險性，在工藝技術(shù)方面也要選擇成熟工藝，盡量縮短工藝流程，減小生產(chǎn)物料泄漏等風險，降低污染物的排放，減小對環(huán)境造成的污染等。

2.3 化工反應(yīng)裝置的危險因素

化工反應(yīng)裝置是整個生產(chǎn)反應(yīng)得以進行的核心要素，也是整個化工生產(chǎn)過程危險因素的主要來源。反應(yīng)容器和物料輸送管道是化學反應(yīng)裝置的基本結(jié)構(gòu)組成要素。對于反應(yīng)容器，常由于結(jié)構(gòu)型式設(shè)計不當或材質(zhì)選擇不當而造成物理、化學損害，或耐壓性不足發(fā)生爆炸，密封性不足造成泄漏等；而對于管道，除了常規(guī)的耐壓、耐高溫和抗腐蝕性以外，還需要從力學層面考慮管道的工作應(yīng)力狀態(tài)，避免由于承載能力不足造成管道破壞?，F(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備中通常安裝有大量的電氣控制設(shè)備，其中包含了變壓器、斷路器和各式電線電纜等。一方面，這類設(shè)備在自身工作時，由于瞬間電流過大、超載等情況，可能造成高溫引燃或瞬間放電擊穿，引發(fā)操作人員燙傷、灼傷或觸電等危害，嚴重時還有燃爆危險；同時，這類電氣設(shè)備外層一般覆蓋有絕緣材料，如果絕緣材料的阻燃性不足，也可能成為誘發(fā)火災(zāi)的導(dǎo)火索。另外，電氣設(shè)備由于線路老化、操作與維護不當?shù)葐栴}，本身也可能引發(fā)觸電傷害，成為傷害的來源。機械設(shè)備是化工生產(chǎn)中另一大危險因素，在生產(chǎn)過程中，常用到電機、葉片等高速運動的機械設(shè)備，若在運行時沒有做好防護措施，操作人員不慎與其接觸，則可能造成嚴重的機械傷害。除了一般的電氣、機械設(shè)備損害以外，在進行設(shè)備吊裝、維修等過程中，難免會進行高空操作，如果安全措施不足，還可能造成高空墜落傷害。

3 化工工藝安全設(shè)計的控制措施

3.1 工藝物料的安全管理

對于工藝物料的安全控制，必須嚴格執(zhí)行安全管理規(guī)范。對于可燃氣體，要嚴格保持儲存設(shè)備的密閉性，進行置換作業(yè)時，為了防止發(fā)生雜質(zhì)氣體混合，需要使用惰性氣體（如氮氣）進行吹掃，確保雜質(zhì)氣體排盡。防護用具的佩戴也應(yīng)嚴格按照標準執(zhí)行，在進行高粉塵環(huán)境下作業(yè)時，需要佩戴防塵口罩等防護用具，對于有毒的氣體環(huán)境，還需要佩戴防毒用具和呼吸器等。除了做好防護以外，還應(yīng)當從根源上排出靜電、燃爆等危險。對于電氣的線路儀表等，可以采用外殼保護性接地的方法進行防雷、防靜電。操作人員或設(shè)備進場時，要有導(dǎo)出靜電操作。對于生產(chǎn)區(qū)域的各類金屬部件，如扶手、鋼架等，都應(yīng)做好防靜電接地。對于廠房的建筑材料，需要達到國家建筑防火規(guī)范所規(guī)定的阻燃要求。并做好火災(zāi)安全疏散設(shè)計，在各處安全通道口做出明確標識。另外，對于毒性和腐蝕性作業(yè)環(huán)境，除了必要的洗凈沖淋裝置、化學防護設(shè)備以外，還需要根據(jù)化學安全處理要求設(shè)置應(yīng)急救治設(shè)備和藥物，以應(yīng)對可能發(fā)生的物料泄漏等安全事故。

3.2 化工工藝路線的安全規(guī)劃與控制

化工工藝路線的規(guī)劃中，要提高安全技術(shù)水平。首先要提高作業(yè)人員的安全素養(yǎng)，熟悉生產(chǎn)作業(yè)流程，嚴格按照安全規(guī)范進行操作，并強化安全監(jiān)督工作，對于違反安全規(guī)定的行為，要進行處罰。首先對于工廠噪聲，應(yīng)當設(shè)置消音設(shè)備，在確實不能限制噪聲的區(qū)域，要進行噪聲超限標識，并配置噪聲防護設(shè)備。在工藝路線設(shè)計時，可以通過控制反應(yīng)條件來實現(xiàn)產(chǎn)物種類和形成速率的控制，如在反應(yīng)中減少送料速率、控制加熱程度、改善冷卻條件，可以很好地預(yù)防化學反應(yīng)失控的發(fā)生。在選用工藝設(shè)備時，要綜合考慮物料的特性和用量，在保證安全的前提下降低設(shè)備成本；選用化工原料時，盡量使用純度高、雜質(zhì)少、危害性低的原料，并通過工藝設(shè)計，盡量減少危害性半產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)生；要對工藝路線和生產(chǎn)條件進行優(yōu)化，一般來說，先進的技術(shù)與設(shè)備具有更好的安全性，但也需要辯證看待。由于引進新的技術(shù)設(shè)備會改變原有操作流程，使得漏操作或誤操作的可能性增加，因此更需要加強安全操作培訓。在化工生產(chǎn)的產(chǎn)物方面，不僅要減小危害性副產(chǎn)物的生成，對于有毒有害產(chǎn)物，也要盡量循環(huán)再利用，不能利用的，要用科學的方式進行處理，達到排放標準后才能進行排放，以免造成環(huán)境污染。

3.3 反應(yīng)裝置的安全保護措施

反應(yīng)裝置的安全措施，是控制整個化工生產(chǎn)工藝安全的核心工作。首先要選擇合適的反應(yīng)容器，如管式、塔式、固定床和流化床等，在甲醇制烯烴的反應(yīng)中，應(yīng)當選擇適合于氣液混合型的反應(yīng)容器。對于整個反應(yīng)裝置的液位和流量，應(yīng)當設(shè)置完整的監(jiān)控系統(tǒng)：在進料部分的換熱器中設(shè)置甲醇、蒸汽換熱器和蒸汽流量串級控制。除此以外，高溫條件下的反應(yīng)，應(yīng)當在甲醇進料泵出口設(shè)置溫度高報警，并有緊急冷卻與安全泄放系統(tǒng)；由于會產(chǎn)生易燃易爆氣體，反應(yīng)容器還應(yīng)當具有良好的密閉性，如在甲醇汽提氣換熱器增加安全閥等。容器的密閉性不只是針對單一氣壓而言的，因為在化學反應(yīng)過程中，容器內(nèi)溫度和氣壓處于動態(tài)變化的過程，可能由于多重反應(yīng)造成氣壓的急速變化與波動，因此為了確保裝置的穩(wěn)定運行，一方面應(yīng)當在甲醇進料泵口設(shè)置壓力過低報警，同時在甲醇緩沖罐設(shè)置安全閥，且要安裝安全壓力釋放通道，以應(yīng)對可能發(fā)生的超壓危險情況；對于可能產(chǎn)生的腐蝕性、毒性物質(zhì)，反應(yīng)容器也要具有足夠的耐受能力，同時要設(shè)置可燃氣體和有毒氣體的濃度檢測報警器。對于所有的反應(yīng)報警器，應(yīng)當有一定的連鎖關(guān)系，如反應(yīng)器的溫度、壓力報警器連鎖，進料介質(zhì)的流量控制與反應(yīng)系統(tǒng)緊急切斷進料的連鎖等，將料位、液位與氣壓等控制形成回路，一旦發(fā)生異常，立即啟動連鎖報警并采取相應(yīng)的反應(yīng)器降溫、進料切斷等措施。反應(yīng)裝置的另一大組成部分是各類反應(yīng)物料的輸送管道。同反應(yīng)容器類似，對于物料輸送管道，也要綜合考慮物料的物化性能來進行形式和材質(zhì)的選擇。與反應(yīng)容器不同的是，管道的安全設(shè)計不僅要考慮耐壓性和耐高溫性能，還需要根據(jù)管道的結(jié)構(gòu)和長度，對其工作過程中的應(yīng)力狀態(tài)和振動形式加以分析，確保其不會在工作時因內(nèi)應(yīng)力和振動而破壞。密封性能是輸送管道最重要的性能，為了提高管道的密封性，除了選擇優(yōu)質(zhì)管道以外，由于管道泄漏常常發(fā)生在相鄰段的連接部分，因此還要盡量減少管道的連接接頭數(shù)量。需要特別注意的是，由于甲醇制烯烴反應(yīng)中的產(chǎn)物有的具有腐蝕性和毒性，因此要避免使用易被破壞和腐蝕的軟管。在反應(yīng)裝置中，容易造成漏電危害的電氣設(shè)備和線路，應(yīng)當布置在沒有爆炸和火災(zāi)隱患的安全環(huán)境中。對于確實需要布置在危險環(huán)境中的電氣設(shè)備，應(yīng)該選用安全性能高的設(shè)備，并在設(shè)備表面做防漏電、阻燃等處理，并將外殼進行接地。對于容易造成機械傷害的設(shè)備，如葉片泵等，除了規(guī)定安全操作距離以外，還應(yīng)當安裝必要的防護設(shè)施，在醒目部位設(shè)置緊急停止按鈕并設(shè)計危險報警系統(tǒng)。在出現(xiàn)意外時，要有科學的疏散方案。

4 結(jié)束語

綜上所述，甲醇制烯烴工藝安全設(shè)計中，涉及到物料管理、工藝規(guī)劃和設(shè)備安全控制等多方面管理，是一項較為復(fù)雜的工作。雖然目前該工藝發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但在不少安全細節(jié)方面還有相當大的優(yōu)化空間。生產(chǎn)安全不容忽視，只有在化工生產(chǎn)中保證良好的安全性，才可能切實提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更大的收益。本文僅從制烯烴的現(xiàn)階段生產(chǎn)狀況出發(fā)，為生產(chǎn)安全工藝的改進提出一些建議，對于相關(guān)生產(chǎn)改進和優(yōu)化工作具有一定的參考意義。

參考文獻

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