化工工藝設計中危險識別與優(yōu)化控制

馬靜(貴州首信安全技術有限公司寧夏分公司，寧夏 銀川 750012)

0 引言

近年來，我國化工行業(yè)不斷發(fā)展，化工工藝技術體系日趨完善，我國化工行業(yè)在新技術的助力下邁入全新發(fā)展階段。在化工工藝設計中，由于許多化學產品是有害化學物質，因此，必須強調對有害物質的危險識別和控制，降低化工設計中的危險因素，提高化工工藝設計質量。

1 化工工藝設計概述

1.1 工藝設計概念

化工工藝設計是由設計人員根據化工生產要求，結合相關工藝技術，合理安排工藝流程步驟，從而引導后續(xù)化工生產工作有序開展，將原料經過化學反應轉變?yōu)榛ぎa品的一項綜合性活動。化工工藝流程主要由設備配置、原材料處理、化學加工與產品精制四部分組成。其中，設備配置是在生產車間內配置若干臺數的化工設備與配套防護裝置。原材料處理是將所準備化工原料經過凈化、提純、混合等一系列預處理，加工后的原料可以更為有效的參與到化學反應過程中。化學加工是控制原料在特定環(huán)境條件下進行氧化、還原、異構化等一系列化學反應，從而獲取目標產物或是化學混合物。而產品精制是對化學混合物進行分離處理，從中提取化學產物與各類副產物，即可完成化工生產任務[1]。

1.2 工藝特征

目前，化工工藝具備過程復雜、危險集中、設計周期短的特征，設計人員應深入了解工藝特征，在其基礎上樹立正確的設計思路。第一，過程復雜，化工工藝由原料預處理、氧化反應、還原反應、過濾處理等多道步驟組成，如果前后道工藝環(huán)節(jié)銜接不當，或是工藝設計不合理，都可能形成危險隱患。第二，危險集中，絕大多數工藝危險源集中分布在原料存儲、化學反應等少數階段，一旦發(fā)生工藝設計不當、生產人員錯誤操作、設備老化失效等問題，會導致多項突發(fā)問題與安全事故的產生。第三，設計周期短，為避免耽誤生產活動開展，化工企業(yè)對化工工藝設計周期有很嚴格的規(guī)定，設計人員必須在限定時間內制定出最佳的工藝方案，并有效識別與排除各項危險隱患。

2 化工工藝設計中的危險識別措施

2.1 危險源辨識

在化工工藝過程中，各項危險源都具備隱蔽性、潛伏性特征，如果設計人員僅依靠自身工作經驗和主觀判斷，很難辨別危險隱患，導致后續(xù)化工生產過程、生產安全存在不確定性。因此，設計人員需要靈活應用故障假設、檢查表分析、故障類型分析等多項方法，并掌握各項方法的操作要點，具體如下：

第一，故障假設法。設計人員根據自身工作經驗與借鑒同類項目案例，假設化工工藝方案實施期間出現的故障問題，從工藝實操等角度判斷假設故障是否具備出現可能。隨后，逆向推導各項故障問題的造成后果、出現位置、形成原因，圍繞故障成因采取相應措施，從而預防此類問題的出現，從根源上消除危險性。

第二，檢查表分析法。此項方法是由管理、生產等部門根據以往工作經驗來提出多項問題，如化工設備持續(xù)運行一段時間后是否出現工況不穩(wěn)情況、各項工藝技術間是否具備搭配應用條件等。隨后，將所提出問題匯總成表，移交給設計人員進行解答。為此，設計人員可以從現場生產、設備管理、安全管理等多個角度來分析化工工藝方案的可行性，更為全面的識別到工藝危險隱患，圍繞所發(fā)現問題來采取改進措施、修改工藝方案。

第三，故障類型分析法。考慮到各項故障問題的形成原因、造成影響存在明顯差異，盲目采取危險控制措施時的控制效果并不理想。因此，設計人員需要根據自身經驗來判斷故障類型，將特征、屬性相似的故障隱患整理為單個類別，后續(xù)制定面向各類故障問題的應對方案[2]。例如，將化工設備故障分為意外運行、運行期間故障、不能按時停止、不能按時運行四類。

2.2 明確危險隱患來源

在化工工藝過程中，危險隱患來源具備多元化特征，具體來源包括管道、化工設備、工藝路線、防護設備、原料存儲等多個方面。如果安全設計范圍沒有完全涵蓋全部危險來源，可能在后續(xù)化工生產期間出現各類安全事故。因此，在化工工藝設計環(huán)節(jié)，設計人員必須明確各來源中的危險隱患種類、特征與形成原因，在工藝方案中采取相應防治處理措施，為化工生產安全提供有力保證。

第一，對輸送管道。輸送的氣態(tài)、液態(tài)化工原料普遍具備較強的污染性和腐蝕性，隨著時間推移，管內介質持續(xù)對管道結構施加腐蝕作用，使得管道老化磨損速度加快、使用性能明顯下滑，最終引發(fā)管道破裂、滲漏、變形等一系列問題，還會在管道內化工原料泄漏后釋放有毒氣體，并引發(fā)火災等次生災害。因此，設計人員需要在計劃中明確標注各條管道的性質、可輸送介質種類、使用壽命，并前往現場檢查各條管道的使用工況是否達標，必要時更換全新管道或修復管道破損部位。

第二，對化工設備。設備故障是主要危險隱患，形成原因包括設備臺數偏少、設備維護保養(yǎng)不及時、環(huán)境適應能力差等，應圍繞故障原因來采取安全設計措施。例如，因設備臺數偏少導致化工設備長時間保持滿負荷、超負荷狀態(tài)運行，使得設備老化速度加快、故障率提高，設計人員應調查實際生產需要來確定設備臺數，并額外設置一定臺數的多余設備作為備用。因設備維護保養(yǎng)不及時而導致設備工況持續(xù)惡化、一段時間后出現部件松脫等故障問題，需要在工藝方案中合理安排設備運行時間、中途預留足夠時間來開展維護保養(yǎng)作業(yè)。因設備環(huán)境適應能力差，當化工設備處于復雜現場環(huán)境時，出現內部進入灰塵雜質、工作溫度超標，設計人員應在現場配置可自動切換運行模式、防護等級較高的化工設備[3]。

第三，對工藝路線。常見危險隱患主要是前后道工藝銜接不當、工序沖突，例如，沒有在計劃中為化工原料預留足夠時間來參與化學反應，便直接進入下道工序，因原料狀態(tài)未達到標準要求而出現一系列問題。設計人員應提前收集、了解工藝技術資料文件，判斷工藝方案是否可行。同時，根據工藝方案編制作業(yè)指導書，約束、指導現場生產作業(yè)開展。

第四，對防護設備。常見危險隱患包括設備種類不全、設備超期使用。首先，種類不全問題是沒有在生產現場配備防塵設備、防毒設備、防噪聲設備等齊全的防護設備，導致一些生產人員在復雜的環(huán)境中出現身體健康問題。所以，必須在工藝方案中明確規(guī)定所需防護設備的具體種類。其次，設備超期使用主要是在現場仍然使用年限較長、防護失效的設備，導致化工生產防護工作流于形式，沒有起到防護效果。因此，設計人員應在計劃中規(guī)定各類防護設備的最大使用壽命與失效判定標準。

第五，對原料存儲。危險隱患主要是由于錯誤選用原料存儲裝置，導致原料狀態(tài)受到外部環(huán)境影響而出現變化，因持續(xù)腐蝕裝置而導致存儲裝置失效、原料泄漏。對此，設計人員需要綜合分析共用物料的狀態(tài)、理化性質和危險危害特性，合理選擇存儲裝置種類型號。

2.3 危險可能性分析

在不同工藝條件下，各項危險事件的出現率存在明顯差異，如果設計人員完全按照同類項目案例來制定工藝方案與危險控制方案，不但會造成生產資源和管理資源的無效浪費，還有可能在生產期間出現安全事故造成實質性損失。因此，設計人員應采取失效概率論、故障樹分析等方法，準確計算各項危險事件的出現可能性。

第一，失效概率論。此項方法適用于辨別單元裝置失效、化工設備故障問題的出現率，使用泊松分布計算公式，根據已掌握信息來計算各處部件在特定時間間隔范圍內的失效概率。一般情況下，化工設備在初期、后期使用階段的失效率較高，中間使用階段則保持穩(wěn)定運行工況，失效率較低。

第二，故障樹分析。此項方法采取演繹推理方式來判斷目標事件出現情況與邏輯關系，設計人員提前將危險事件設定為分析起點，按照因果邏輯關系來逐層列出事件形成原因，隨后采取定量分析手段，推測事件后續(xù)演變過程，從中挑選發(fā)生概率最高的演變過程作為輸出結果，從而判斷目標事件的出現率。

2.4 后果嚴重程度分析

為準確掌握各類危險事件的影響系數與危害程度，避免因危險控制力度過強而造成資源浪費，或是因危險控制力度不足而導致危險事件失控。設計人員要結合已知信息，分析原料泄漏、火災、爆炸等危險事件的后果。以爆炸事故為例，運用F&EI爆炸指數法，根據已掌握信息來計算暴露區(qū)域面積、暴露區(qū)域半徑、單元工藝危險值，并根據單元工藝危險值和物質系數來求解單元爆炸指數，單元爆炸指數小于60、處于61～96區(qū)間、處于97～127區(qū)間、處于128～158區(qū)間和超過159時，分別將爆炸事故危險等級判定為輕級、較輕、中等、嚴重和極端級別[4]。

3 化工工藝設計中的危險隱患優(yōu)化控制策略

3.1 優(yōu)選化工設備

在化工設備選型配置環(huán)節(jié)，設計人員應根據實際生產需要、現場環(huán)境條件與工藝技術種類，來配置恰當種類型號的化工設備，并掌握關鍵設備、存儲裝置、輸送管道的選擇要點。

第一，關鍵設備配置。關鍵化工設備包括反應器、氣液傳質設備、傳熱設備、化工用泵等，應掌握各類設備的性能特點與適用場合。例如，對化工用泵設備，根據現場條件與工藝要求進行選擇，在流量較大與液體中氣體體積含量不超過5%時配置葉片式離心泵；在輸送溫度保持在-100～250 ℃區(qū)間時配置葉片式高速泵；在輸送化工原料具備劇毒、易燃易爆等特性時配備葉片式屏蔽泵。在配置固體催化反應器時，根據操作方式來選擇具體型式，以管式間歇為操作方式時可配置固定床反應器或提升床反應器，以全混間歇為操作方式時可配置流化床反應器[5]。

第二，存儲裝置配置。設計人員提前了解所需存儲化工原料的性質，在其基礎上選擇最佳存儲形式、確定存儲裝置型號種類。以存儲罐體為例，在存儲沸點不超過45 ℃的甲B類液體時配置具備降溫存儲條件的常壓或是低壓儲罐，在存儲沸點不超過45 ℃的乙A類液體時配置浮頂儲罐或是內浮頂儲罐。同時，設計人員還應在庫房等區(qū)域內分散布置各組儲罐，明確相鄰儲罐的最小防火間距，避免因單個儲罐泄漏而引發(fā)聯(lián)鎖爆炸事故。

第三，輸送管道配置。設計人員應根據所輸送化工原料性質來設定管道級別，在輸送極度危害毒性程度介質時應配備SHA或是SHB級別的管道，在輸送其他氣體液體介質時配置SHC級別管道即可。隨后，根據介質輸送要求、工藝要求與生產工況等因素來確定管道設計壓力、設計溫度等參數，避免管道在使用期間因壓力超標、溫度超標而出現扭曲變形、破裂等質量通病。

3.2 營造良好防護環(huán)境

在化工生產過程中，受到原料狀態(tài)、人為操作、現場環(huán)境等因素影響，存在原料泄漏等安全問題，盡管采取多項防治措施，仍舊無法徹底杜絕此類問題的出現。同時，部分化工企業(yè)由于防護設備配備不全，在出現各類安全事故后，由此引發(fā)人員中毒、現場人員窒息、身體遭受化學灼傷等連鎖問題。為避免人員傷亡出現，設計人員應在工藝方案中配置種類齊全的防護設備，以此營造良好的防護環(huán)境，有效隔離各類危險源與現場生產人員的直接接觸，防護設備種類包括身體防護設備、呼吸防護設備、聽覺防護設備。一般情況下，化工企業(yè)應在生產現場配備防化服、防護口罩、全面式防護面具、輔助呼吸器、耳罩、耐酸堿安全鞋等防護設備。同時，還需要在生產現場布置大量消防器械、除塵器、氣體檢測儀、防火卷簾等裝置。在化工生產期間，通過傳感器、探測器持續(xù)感知生產環(huán)境情況，當檢測到火災等安全事故時，立即組織現場人員有序疏散，向防火卷簾等裝置下達聯(lián)控指令，迅速撲滅著火點等危險源。

3.3 制定長效設備維護保養(yǎng)方案

在化工生產期間，化工設備長時間保持運行狀態(tài)，加之受到現場復雜環(huán)境影響，導致設備老化速度加快，投運使用一段時間后的故障出現率明顯提高，最終引發(fā)各類故障出現。因此，為始終保持化工設備穩(wěn)定工況，預防故障問題出現，設計人員應在工藝方案中明確化工設備的維護保養(yǎng)周期、使用性能要求。隨后，編制維修作業(yè)指導書，在指導書中規(guī)定化工設備維護保養(yǎng)流程步驟、操作要點、質量判定標準、常見問題解決方法。例如，在泵機啟動前，要求生產人員詳盡檢查泵機底座螺栓緊固情況、壓力表指針是否歸回零位、進出閥門開啟后是否存在滲漏情況。最后，考慮到各臺化工設備的故障率、使用工況有所不同，還應采取分級維護方法，對化工設備綜合使用情況進行評價打分，根據打分結果將化工設備分為若干等級，分別制定面向各等級化工設備的維修保養(yǎng)方案，如根據設備故障率來調整維護周期，化工設備故障率越高，則前后次維護保養(yǎng)作業(yè)間隔時間越短。

3.4 制定安全巡查方案

化工工藝危險隱患具有突發(fā)性和隨機性的特征，在化工工藝安全設計期間，要制定配套的安全巡查方案。在化工生產過程中，由管理人員定期前往現場進行安全巡查，及時發(fā)現各處安全隱患，督促生產人員限期整改。同時，也可選擇在化工生產線上布置攝像頭，攝像頭拍攝現場監(jiān)控畫面，通過識別特征量來辨別生產期間形成的危險隱患。

3.5 化工工藝仿真設計

化工工藝流程繁瑣，生產設備多，在化工生產期間，生產過程易受到多方面因素影響，設計人員很難提前準確預測工藝方案的實施效果，偶爾因問題考慮不周而在生產期間出現各類危險事件。因此，設計人員需要使用到仿真軟件，在工藝方案制定完畢后，將方案導入軟件中開展仿真模擬實驗，模擬化工生產過程與檢測產品質量，從中辨別到各項危險隱患，后續(xù)根據實驗結果來修改工藝方案內容。例如，在仿真模擬實驗期間，設計人員重點檢查氧化工序中所投加原料與空氣混合后是否在氧化反應器內催生出足夠的粗產品與副產物，在水解濃縮工序中的活性炭等物質去除率是否達標，脫水工序中的游離水與分子水去除效果是否理想，升華工序中的結晶升華效果與產品產出量是否達到預期要求[6]。

3.6 編制專項危險應急預案

由于各類危險隱患的形成原因、造成影響、出現位置有所不同，為確保危險事件出現后迅速得到有效處理，將所造成損失控制在最小范圍內。設計人員在制定化工工藝方案時，需要根據危險清單來編制專項應急預案。如此，在化工生產期間出現危險事件后，生產人員與管理人員可以直接實施對應預案，無需臨時商討處理方案。

以化工原料儲罐工藝風險為例，危險源包括原料燃燒、原料爆炸、釋放有毒氣體等。例如，苯乙烯原料具備有毒性、易揮發(fā)、易燃易爆性特征，所泄漏苯乙烯遇到明火時引起燃燒爆炸、在高溫條件下產生聚合反應與導致容器破裂，并在人體吸入過量含苯乙烯有毒氣體后出現急性中毒反應。對此項危險隱患，一方面，采取選用高性能儲罐附件、減小儲罐維修檢查周期、儲罐上加裝安全閥組與報警器等配套裝置、儲罐周邊規(guī)劃禁火區(qū)域等措施來預防危險事件出現；另一方面，如果出現原料泄漏、容器炸裂等危險事件，或是出現容器存儲壓力失控等異常征兆，管理人員需要立即采取啟動冷卻系統(tǒng)、減少原料存儲量、容器泄壓、組織現場人員疏散等應對措施[7]。

4 結語

綜上所述，為切實保證化工生產安全，幫助化工企業(yè)貫徹實現安全生產目標，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。化工企業(yè)必須提高對化工工藝安全設計工作的重視程度，在工藝設計期間綜合采取危險源辨別、明確隱患來源、危險可能性分析、后果嚴重程度分析等措施來識別危險源，積極落實優(yōu)選化工設備、營造良好防護環(huán)境、工藝仿真設計等多項危險控制策略，為我國化工行業(yè)發(fā)展保駕護航。