精細(xì)化工項(xiàng)目的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

高斌鵬

（南通泰禾化工股份有限公司，江蘇南通 226000）

近年來(lái)，精細(xì)化工行業(yè)發(fā)生了較多的安全生產(chǎn)事故，導(dǎo)致了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于精細(xì)化工項(xiàng)目不可避免地涉及到危險(xiǎn)化學(xué)品、危險(xiǎn)工藝，屬于高危行業(yè)，國(guó)家對(duì)精細(xì)化工行業(yè)建立了綜合、立體的監(jiān)管體系和制度。企業(yè)要保證安全生產(chǎn)，除了要滿足國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)章制度，做好安全管理外，精細(xì)化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)尤為重要，這決定了項(xiàng)目自身的安全水平。本文將從以下幾個(gè)方面入手，分析如何做好精細(xì)化工項(xiàng)目的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

1 可靠的工藝來(lái)源

1.1 工藝研發(fā)

小試和中試工藝開發(fā)是精細(xì)化工項(xiàng)目的源頭，在滿足目標(biāo)產(chǎn)物的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮不燃、無(wú)毒或低毒的物料來(lái)代替可燃、有毒物質(zhì)；降低反應(yīng)條件的苛刻程度，例如降低反應(yīng)溫度和壓力；采用液體物料代替固體物料等，從源頭上開發(fā)本質(zhì)安全的工藝路線。

1.2 異常評(píng)價(jià)

一個(gè)可靠且完善的工藝開發(fā)，應(yīng)分析鑒別各類異常狀況并進(jìn)行記錄，在設(shè)計(jì)過(guò)程全部予以考慮并設(shè)置相應(yīng)措施，所有未發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)異常過(guò)程都是項(xiàng)目安全運(yùn)行的事故隱患。

工藝開發(fā)中需要厘清的異常狀況應(yīng)包括但不限于：一切可能存在的化學(xué)反應(yīng)，包括操作故障、誤投料或投料次序錯(cuò)誤，引起的危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)和副反應(yīng)；需評(píng)價(jià)副反應(yīng)或錯(cuò)誤的反應(yīng)是否會(huì)生產(chǎn)新的毒性或燃爆性物質(zhì)；各類反應(yīng)過(guò)程是否存在異常的反應(yīng)器失控、結(jié)垢、結(jié)塊等現(xiàn)象；需要鑒別各種中間態(tài)、最終態(tài)物料的穩(wěn)定性、毒性以及燃爆性；考察物料（含中間態(tài)物料）與水是否禁忌；對(duì)各類反應(yīng)和物料進(jìn)行熱風(fēng)險(xiǎn)分 析[1]；考察反應(yīng)溫度、壓力等工藝參數(shù)操作失誤引起的破壞性結(jié)果；考慮副產(chǎn)物等微/少量物質(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中的富集、累積；考慮催化劑的老化、失活、再生等。

2 完善的設(shè)計(jì)流程

2.1 初步設(shè)計(jì)

合理安排工藝流程，盡量做到簡(jiǎn)化，確定間歇還是連續(xù)的生產(chǎn)方式。注意各工序的銜接，避免易造成泄漏的無(wú)用連接。改善操作條件，選擇可靠的單元操作方式，降低操作難度。核算物料的使用量、儲(chǔ)存量、生成量和處理量。優(yōu)選合適的分離方法、三廢處理措施等。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)

采用一種或多種風(fēng)險(xiǎn)分析工具，例如危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP），對(duì)初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行定性分析，識(shí)別出各個(gè)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)注意的是，HAZOP 分析是切實(shí)保障精細(xì)化工項(xiàng)目本質(zhì)安全水平的重要一環(huán)，需嚴(yán)格按照危險(xiǎn)與可操作性分析應(yīng)用指南[2]做好每一步工作。

2.3 保護(hù)層分析

在HAZOP 分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用保護(hù)層分析（LOPA）和洋蔥模型，量化事故場(chǎng)景中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防性控制措施和事故減緩措施，將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的范圍。確定是否需要采用安全儀表系統(tǒng)，以及安全儀表系統(tǒng)的等級(jí)。需要注意的是，由于精細(xì)化工行業(yè)的特殊性，在初始事件及其頻率方面，一些工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的取值，不一定能反映本行業(yè)或本企業(yè)的真實(shí)水平，精細(xì)化工企業(yè)應(yīng)該結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行一定的適應(yīng)性修正。

2.4 施工圖設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)評(píng)審

施工圖工藝設(shè)計(jì)應(yīng)將前期所有分析的措施逐一落實(shí)，設(shè)計(jì)完成后應(yīng)組織相關(guān)專家、各專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審，檢查貫穿整個(gè)工藝開發(fā)和設(shè)計(jì)周期的問(wèn)題是否一一得到了解決，并保證是最優(yōu)方案。

3 提高材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

在精細(xì)化工行業(yè)中，設(shè)備往往在高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中工作，管道設(shè)備的腐蝕較為嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)中，如何選擇安全可靠的材質(zhì)具有重要意義。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，受限于高端材料價(jià)格高昂且較難獲取，精細(xì)化工行業(yè)在腐蝕環(huán)境廣泛使用的玻璃、石墨、襯塑等設(shè)備，普遍存在密封不良、“跑冒滴漏”嚴(yán)重的問(wèn)題，其易損壞、檢修率高，耐溫耐壓范圍低、安全程度較低。

耐腐蝕合金的出現(xiàn)，對(duì)提高精細(xì)化工本質(zhì)安全水平具有重要的意義。相比非金屬材料，金屬材料在加工成形、焊接、法蘭連接與密封等方面具有根本優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)工況，采用不同的連接和密封形式，從根本上解決“跑冒滴漏”的問(wèn)題，能夠減少維護(hù)成本。隨著材料科技的發(fā)展和國(guó)內(nèi)制造水平的提高，各種耐腐蝕合金的產(chǎn)量不斷增加，部分合金的國(guó)產(chǎn)化也降低了使用成本。

除了化學(xué)工業(yè)作為基礎(chǔ)應(yīng)用的304、316L、2205等不銹鋼外，實(shí)際上，各類耐腐蝕合金已經(jīng)在精細(xì)化工行業(yè)，尤其是行業(yè)龍頭企業(yè)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。例如鉭及鉭合金，由于優(yōu)良的耐腐蝕能力，在化工儀表和化工設(shè)備方面應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。另外如奧氏體不銹鋼904L、超級(jí)奧氏體不銹鋼926；鎳基合金因康鎳（Inconel600）、因克羅伊（Incoloy800）、蒙乃爾（Monel400）；超級(jí)雙相不銹鋼2507；哈氏合金B(yǎng)-2、C-22、C-276；鈦合金；鋯合金等，基于其各自特殊的耐腐蝕能力，應(yīng)用范圍均不斷擴(kuò)大。

在進(jìn)行精細(xì)化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，遇到條件苛刻的工況，可通過(guò)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)采集腐蝕數(shù)據(jù)，結(jié)合材料的特性，靈活選用，代替搪玻璃、石墨等廉價(jià)但易損材質(zhì)，提高項(xiàng)目安全水平。

4 應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和裝備

4.1 連續(xù)化反應(yīng)裝備

利用微反應(yīng)器技術(shù)代替反應(yīng)釜，應(yīng)用在諸如硝化、氧化等反應(yīng)中，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家、設(shè)備廠家和第三方服務(wù)公司已有較多研究，也在逐步開展工業(yè)化應(yīng)用。相較反應(yīng)釜，微反應(yīng)器具有小體積大面積的特點(diǎn)，傳質(zhì)、傳熱效果大大加強(qiáng)，持液量大范圍減少，使能量難以積聚，從而消除了事故隱患，是一種安全水平較高的設(shè)備[3]。雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，也應(yīng)該看到，微反應(yīng)器存在一定局限性，例如在多相反應(yīng)、催化反應(yīng)中受到限制，也較易堵塞。

作為精細(xì)化工領(lǐng)域的一種先進(jìn)技術(shù)，微反應(yīng)技術(shù)和裝備仍值得國(guó)內(nèi)精細(xì)化工企業(yè)加強(qiáng)研究，在條件允許時(shí)，盡可能采用微反應(yīng)器替代反應(yīng)釜。

4.2 換熱裝備

國(guó)內(nèi)精細(xì)化工項(xiàng)目耐腐蝕的換熱設(shè)備，以往多采用石墨、搪玻璃換熱器，存在故障率高、安全性低、維修工作量大等問(wèn)題。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展的螺旋纏繞換熱器、碳化硅換熱器、四氟毛細(xì)管換熱器（用在低壓場(chǎng)合），可替代一部分石墨和搪玻璃換熱器，提高項(xiàng)目安全水平。具體來(lái)講，在腐蝕工況下，可應(yīng)用前文所述的各類耐腐蝕合金制造螺旋纏繞換熱器，或采用碳化硅換熱器，要求高時(shí)可采用雙管板碳化硅換熱器，常壓低溫場(chǎng)合亦可采用四氟毛細(xì)管換熱器（缺點(diǎn)是傳熱系數(shù)較低），達(dá)到替代搪玻璃和石墨換熱器的目的。

4.3 流體輸送設(shè)備

動(dòng)設(shè)備以及密封設(shè)備的泄漏一直是精細(xì)化工企業(yè)安全管理和現(xiàn)場(chǎng)管理的難點(diǎn)，其維護(hù)需耗費(fèi)大量的人力物力。屏蔽泵、磁力泵、軟管泵、隔膜泵等新型泵類具有利用靜密封代替動(dòng)密封的特點(diǎn)，本質(zhì)安全程度高，在精細(xì)化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)代替普通離心泵的應(yīng)用。另外在氣體輸送領(lǐng)域，螺桿真空泵等干式真空泵、磁力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)也已逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，可在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中靈活采用，替代傳統(tǒng)設(shè)備。

5 提高自動(dòng)化水平

傳統(tǒng)的精細(xì)化工企業(yè)具有“小、散、亂”的特點(diǎn)，生產(chǎn)作業(yè)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)，各種工藝參數(shù)控制主要靠操作人員干預(yù)，需要作業(yè)人員時(shí)刻保持專注，容錯(cuò)率低，對(duì)操作人員的知識(shí)、技能、責(zé)任心、體力要求較高。事實(shí)上操作人員很難在工作時(shí)間時(shí)時(shí)刻刻保持專注，誤操作概率較高，單靠企業(yè)管理很難徹底解決事故風(fēng)險(xiǎn)中“人”的問(wèn)題。

通過(guò)近些年的行業(yè)整合，安全水平差、管理不規(guī)范的小企業(yè)逐步退出，行業(yè)集中度增加，企業(yè)市場(chǎng)趨向穩(wěn)定，利潤(rùn)增加，具備了裝置升級(jí)換代的條件，加上國(guó)家不斷推進(jìn)自動(dòng)化改造，利用自動(dòng)化減人、替人已成為行業(yè)共識(shí)，精細(xì)化工企業(yè)的自動(dòng)化水平和安全水平不斷提高。

隨著技術(shù)發(fā)展和國(guó)內(nèi)人口進(jìn)入老齡化、人力資源趨緊，自動(dòng)化、智能化是精細(xì)化工行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，在精細(xì)化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，需要采集數(shù)據(jù)、控制、操作的地方，應(yīng)首選自動(dòng)化，只有當(dāng)目前的技術(shù)難以解決，或者自動(dòng)化方案的投資令人難以接受，方可考慮人工操作。

6 連續(xù)化設(shè)計(jì)

連續(xù)化生產(chǎn)廣泛應(yīng)用在國(guó)民生產(chǎn)各個(gè)部門，尤其在汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、食品制造業(yè)，最優(yōu)秀的甚至可以實(shí)現(xiàn)“黑燈工廠”，代表了制造業(yè)的最高水平。在石油化工領(lǐng)域，連續(xù)化生產(chǎn)主要應(yīng)用在煉油、煤及天然氣深加工、石化以及基礎(chǔ)化學(xué)品制造行業(yè)。

近年來(lái)，精細(xì)化工行業(yè)集中度增加，產(chǎn)品噸位不斷上升，企業(yè)市場(chǎng)和生產(chǎn)較為穩(wěn)定，具備了連續(xù)化生產(chǎn)的可能性。精細(xì)化工的連續(xù)化生產(chǎn)具有操作穩(wěn)定、工藝效率高、生產(chǎn)波動(dòng)小、設(shè)備利用率高、人員需求少等特點(diǎn)，是自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，是企業(yè)創(chuàng)新升級(jí)的方向，對(duì)提升精細(xì)化工項(xiàng)目的本質(zhì)安全水平具有極大促進(jìn)作用。

在精細(xì)化工項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，應(yīng)從工藝研發(fā)開始，優(yōu)先開發(fā)可連續(xù)反應(yīng)的工藝，優(yōu)選流態(tài)化輸送的物料；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可參照石化行業(yè)的工藝和思維方式，采用連續(xù)化反應(yīng)裝備和連續(xù)化單元裝備，輔以必要的自動(dòng)化檢測(cè)儀表、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)，完成連續(xù)化的生產(chǎn)過(guò)程。需要注意的是，精細(xì)化工的連續(xù)化生產(chǎn)具有特殊性，需在設(shè)計(jì)時(shí)考慮開停車狀況及操作，以及生產(chǎn)異常時(shí)的自動(dòng)化或人員干預(yù)措施。

7 冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化、連續(xù)化水平的提高，減少了人員操作，提升了精細(xì)化工裝置的本質(zhì)安全水平，但仍存在另一個(gè)問(wèn)題，即各種檢測(cè)元件、控制單元、執(zhí)行單元，或者安全附件仍存在故障或失效的可能，安全儀表系統(tǒng)通過(guò)可靠性驗(yàn)證和系統(tǒng)的管理來(lái)保證故障率在可接受的范圍；但BPCS 回路和安全附件無(wú)法完全避免故障的產(chǎn)生。

在此前提下，可在HAZOP 分析的基礎(chǔ)上，在重點(diǎn)設(shè)備和高危工藝采用冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如采取雙液位、雙溫度、雙閥控制、雙BPCS 回路、雙安全閥、額外增加獨(dú)立保護(hù)層等設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步保證項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中的本質(zhì)安全。

8 投資與效益

本質(zhì)安全型的精細(xì)化工項(xiàng)目，屬于資金密集型項(xiàng)目。先進(jìn)的技術(shù)、工藝和設(shè)備，以及大量的儀表、閥門和自動(dòng)控制系統(tǒng)、昂貴的合金材料，都需要資金的大量投入。

即便短期投入較大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，操作人員優(yōu)化減少、維修更換費(fèi)用降低、運(yùn)行產(chǎn)出穩(wěn)定，事故風(fēng)險(xiǎn)和停工費(fèi)顯著降低，項(xiàng)目的綜合收益遠(yuǎn)大于前期一次性投資，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所以本質(zhì)安全型的精細(xì)化工項(xiàng)目仍然是合算的，也是行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。

9 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)精細(xì)化工項(xiàng)目的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，需要從工藝開發(fā)入手，把握好設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，對(duì)工藝、設(shè)備、儀表、自控等方面全面升級(jí)，采用最先進(jìn)的技術(shù)，最大化減少“人”的失誤造成的事故性后果，確保項(xiàng)目運(yùn)行的安全水平，從而獲得長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。