淺析化工工藝安全設計中危險識別和控制

薛景奎

摘 要：化工生產與國民經濟發展有著緊密的關系，而化工生產安全是其穩定發展的重要基礎。在化工生產過程中，生產設備管理和工藝設計是否科學合理，安全設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的安全性。尤其是對于甲醇制烯烴的化工生產工作，由于其涉及到眾多的易燃易爆、有毒有害物質，因此在其生產工作中，一方面對于生產中的危險物質要進行科學管理，做好危險防范措施；對于工藝線路的規劃，要降低危險產物的產生，從而降低生產風險；對于反應設備，更要從機械、電氣、結構等多方面出發，全面分析可能造成生產事故的風險因素，制定對應的安全防范和應對措施。

關鍵詞：化工工藝；危險識別；控制

隨著社會經濟的不斷發展，國家對工業生產的安全性逐漸重視起來。化工企業的生產工作具有工藝路線復雜、物料與產物危險性大等特點，因此成為了工業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工藝流程中，更是呈現出危險物質眾多、設備工藝管理復雜等特點。雖然隨著設備和技術的發展，甲醇制烯烴工藝在安全性上已經有了很大的提高，但仍然存在著許多安全隱患。因此在其化工工藝安全設計中要強化安全控制措施，提高操作人員的安全素養和安全技能培訓，對于物料管理、工藝規劃和設備安全控制都要做出嚴格規范。這樣不僅可以有效防范生產事故的發生，提高對突發事故的應對能力，更能提高生產效率，為企業帶來更大的經濟效益。

1 甲醇化工設計及其特點

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代化工生產的重要基礎原料。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，通過脫水反應形成含有二甲醚的混合物，后轉化為低碳烯烴，再通過縮聚反應等形成高級烯烴。該工業流程的反應裝置主要包括進料系統、反應器、再生器以及主風系統等，另外還有急冷塔、水洗塔和熱量回收系統等。

1.2 甲醇制烯烴的特點

甲醇制烯烴的MTO反應將常見且廉價的化工原料甲醇，合成烯烴等重要的化工產品，具有很強的應用意義，已經在現代化工生產中得到了廣泛應用。但在甲醇制烯烴的反應過程中，會產生易燃易爆氣體，如二甲醚、一氧化碳、烯烴、氫氣等，這類氣體在高溫反應器內生成，一旦發生泄漏與氧化劑混合，極易發生火災和爆炸；而該反應的產品和副產品中的許多成分還具有毒性，如果發生泄漏，可能引起操作工人的慢性或急性中毒；MTO工藝反應還會有一定量的醋酸等酸性物質產生，這類物質具有腐蝕設備、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，對于可能發生的事故制定合理的應對措施。

2 化工工藝安全設計中的危險識別

目前，國內外大多數化工工藝在設計階段就開展危險識別，找出工藝偏差和危險點，為更合理的工藝設計和制定科學的安全措施提供依據。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、反應裝置等進行危險識別，找出可能出現的危害后果，從而找出故障發生的原因以及應當采取的控制預防措施。

2.1 工藝物料的危險特性

化工生產的工藝物料，是指生產活動中使用的原料或產生的產品、半產品以及副產品等。這些物料對外界環境要求較為嚴格，一般具有易燃易爆、毒性或腐蝕性等特點，因此需要從生產流程出發，對化工生產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，預防生產事故的發生。由甲醇制烯烴的MTO的主反應方程2CH3OH→C2H4+2H2O、3CH3OH→C3H6+3H2O可以看出，其以工業甲醇為原材料。由于工業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、甲烷等雜質氣體。而主反應的產物除了乙烯和丙烯以外，還會產生一定量的乙烷、丙烷等副產物。另外，經過研究發現，MTO反應中還會由于副反應而產生少量的二氧化碳、醋酸等酸性物質。在各類有害物質中，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，容易在反應過程中引發火災或爆炸危害；一氧化碳、乙烯、丙烯、甲醇等屬于有毒物質，它們的氣體、粉塵等一旦發生泄漏，容易引起操作人員的急性和慢性中毒，需要特別防范；而副反應所產生的二氧化碳、醋酸等物質還具有一定的腐蝕性，若產物的儲存設備沒有考慮耐腐蝕性，就容易發生泄漏，對設備以及電氣線路造成損害。另外需要注意的是，在不同批次產品生產工作的中途進行置換作業時，除了會有參與反應的工藝物料以外，還需要使用惰性氣體（如氮氣）對反應裝置進行吹掃。這類惰性氣體雖然無毒無害，卻容易發生殘留，若因置換操作不當導致惰性氣體沒有排盡，就可能發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的原理是相同的，但根據原料特點、環境條件的不同，可以設計出不同的工藝路線。如何設計更加安全高效的工藝路線，不僅要提高反應的效率，降低生產成本，還能夠降低化工生產的危險性，提高安全性，是工藝安全設計人員需要考慮的問題。一般來說，工藝路線的設計盡量減少危險物質的使用，盡可能使原料或產物為無毒、低毒物質，降低因生產條件變化對反應的影響，即使發生小規模泄漏也便于控制；降低生產設備的危險性，在工藝技術方面也要選擇成熟工藝，盡量縮短工藝流程，減小生產物料泄漏等風險，降低污染物的排放，減小對環境造成的污染等。

2.3 化工反應裝置的危險因素

化工反應裝置是整個生產反應得以進行的核心要素，也是整個化工生產過程危險因素的主要來源。反應容器和物料輸送管道是化學反應裝置的基本結構組成要素。對于反應容器，常由于結構型式設計不當或材質選擇不當而造成物理、化學損害，或耐壓性不足發生爆炸，密封性不足造成泄漏等；而對于管道，除了常規的耐壓、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力狀態，避免由于承載能力不足造成管道破壞。現代化生產設備中通常安裝有大量的電氣控制設備，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，也可能成為誘發火災的導火索。另外，電氣設備由于線路老化、操作與維護不當等問題，本身也可能引發觸電傷害，成為傷害的來源。機械設備是化工生產中另一大危險因素，在生產過程中，常用到電機、葉片等高速運動的機械設備，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、機械設備損害以外，在進行設備吊裝、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，必須嚴格執行安全管理規范。對于可燃氣體，要嚴格保持儲存設備的密閉性，進行置換作業時，為了防止發生雜質氣體混合，需要使用惰性氣體（如氮氣）進行吹掃，確保雜質氣體排盡。防護用具的佩戴也應嚴格按照標準執行，在進行高粉塵環境下作業時，需要佩戴防塵口罩等防護用具，對于有毒的氣體環境，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。操作人員或設備進場時，要有導出靜電操作。對于生產區域的各類金屬部件，如扶手、鋼架等，都應做好防靜電接地。對于廠房的建筑材料，需要達到國家建筑防火規范所規定的阻燃要求。并做好火災安全疏散設計，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環境，除了必要的洗凈沖淋裝置、化學防護設備以外，還需要根據化學安全處理要求設置應急救治設備和藥物，以應對可能發生的物料泄漏等安全事故。

3.2 化工工藝路線的安全規劃與控制

化工工藝路線的規劃中，要提高安全技術水平。首先要提高作業人員的安全素養，熟悉生產作業流程，嚴格按照安全規范進行操作，并強化安全監督工作，對于違反安全規定的行為，要進行處罰。首先對于工廠噪聲，應當設置消音設備，在確實不能限制噪聲的區域，要進行噪聲超限標識，并配置噪聲防護設備。在工藝路線設計時，可以通過控制反應條件來實現產物種類和形成速率的控制，如在反應中減少送料速率、控制加熱程度、改善冷卻條件，可以很好地預防化學反應失控的發生。在選用工藝設備時，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備成本；選用化工原料時，盡量使用純度高、雜質少、危害性低的原料，并通過工藝設計，盡量減少危害性半產品和副產品的產生；要對工藝路線和生產條件進行優化，一般來說，先進的技術與設備具有更好的安全性，但也需要辯證看待。由于引進新的技術設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。在化工生產的產物方面，不僅要減小危害性副產物的生成，對于有毒有害產物，也要盡量循環再利用，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，以免造成環境污染。

3.3 反應裝置的安全保護措施

反應裝置的安全措施，是控制整個化工生產工藝安全的核心工作。首先要選擇合適的反應容器，如管式、塔式、固定床和流化床等，在甲醇制烯烴的反應中，應當選擇適合于氣液混合型的反應容器。對于整個反應裝置的液位和流量，應當設置完整的監控系統：在進料部分的換熱器中設置甲醇、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，應當在甲醇進料泵出口設置溫度高報警，并有緊急冷卻與安全泄放系統；由于會產生易燃易爆氣體，反應容器還應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，因為在化學反應過程中，容器內溫度和氣壓處于動態變化的過程，可能由于多重反應造成氣壓的急速變化與波動，因此為了確保裝置的穩定運行，一方面應當在甲醇進料泵口設置壓力過低報警，同時在甲醇緩沖罐設置安全閥，且要安裝安全壓力釋放通道，以應對可能發生的超壓危險情況；對于可能產生的腐蝕性、毒性物質，反應容器也要具有足夠的耐受能力，同時要設置可燃氣體和有毒氣體的濃度檢測報警器。對于所有的反應報警器，應當有一定的連鎖關系，如反應器的溫度、壓力報警器連鎖，進料介質的流量控制與反應系統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，一旦發生異常，立即啟動連鎖報警并采取相應的反應器降溫、進料切斷等措施。反應裝置的另一大組成部分是各類反應物料的輸送管道。同反應容器類似，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的選擇。與反應容器不同的是，管道的安全設計不僅要考慮耐壓性和耐高溫性能，還需要根據管道的結構和長度，對其工作過程中的應力狀態和振動形式加以分析，確保其不會在工作時因內應力和振動而破壞。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，除了選擇優質管道以外，由于管道泄漏常常發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量。需要特別注意的是，由于甲醇制烯烴反應中的產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。在反應裝置中，容易造成漏電危害的電氣設備和線路，應當布置在沒有爆炸和火災隱患的安全環境中。對于確實需要布置在危險環境中的電氣設備，應該選用安全性能高的設備，并在設備表面做防漏電、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備，如葉片泵等，除了規定安全操作距離以外，還應當安裝必要的防護設施，在醒目部位設置緊急停止按鈕并設計危險報警系統。在出現意外時，要有科學的疏散方案。

4 結束語

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

參考文獻

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