化工工艺和设备安全评价的研究.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流化工工艺和设备安全评价的研究.精品文档.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、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。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。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)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。化工装置的控制设备由测量仪表、传感器、控制器、执行器、记录仪表等组成。需要控制的工艺参数主要是原料和公用工程的流量、温度、压力、浓度设备的料位等。对于可能出现各种意外事故，使工艺参数超出控制范围的情况，控制系统应有报警、切断或联锁等功能。具体要求如下：(1)报警：对于超出控制范围，但在短时间内还不至于引起事故、操作人员可以采取措施及时处理的工艺参数波动应设声光报警。(2)切断：对于不立即采取紧急动作可能发生事故的工艺参数，控制系统要能自动切断进入设备的物料。若控制仪表不够可靠，则要设置一个单独的切断系统。对紧急切断系统应定期检查，确保处于有效状态。(3)联锁：对于错误操作可能导致危险的各阀门应设置联锁。36安全和操作性能分析安全和操作性能分析是指对设备和管线逐个用指导词去帮助思索，进行分析，得出如果操作参数偏离了设定值，将会产生怎样的后果的结论。指导词的意义如表1所示。表1指导词表指导词 意义 注 解否 对意向的完全否定 意向的任何部分没有实现，但有其他情况发增加 定量地增加 生数量或活动性质的变化，例如温度或流量，也可以指活动如加热减少 定量地减少 数量或活动性质的变化，例如温度或流量，也可以指活动如以及 定性地增加 所有设计或操作意向都已达到，其他活动如副反应部分 定性的减少 部分意向达到，部分没有达到。如物中组成的变化相反 和意想在逻辑上相反 对活动应用最广泛的一个关键词例如流向或者化学反应。它也能应用于物质，例如用毒物代替解毒药不同 完全代替 意向的任何部分都没有实现而有其他完全不同的情况产生。例如不是芷常操作而是开停车、催化剂再生等除此以外，尚有下列词以特定的方式运用，有其精确的含义。衰2指导词的含义指导词 意义 意向 设计人员要该部分起什么作用偏差 用指导词对系统进行分析时所发现的与设原因 偏差为什么以及怎样产生的理由后果 当一个有意义的偏差产生时所造成的结果危害 结果造成的损失或伤害如果能得到工艺装置的带控制点管道流程图。可以对其中危险性最大的单元进行安全和操作性能分析，得出控制方案是否可靠的结论，确定是否需要提出增加报警、切断或联锁措施的建议。如果发现有重大隐患，也许要做出重大的修改设计建议。37工艺管道安全管道工程，包括管道、管件、管架、阀门和保温等。在一些加工流体的大型化工厂中，各种工艺管道的总长度可能会以数十数百千米计，并广泛遍布在厂区内。投资额可达到工程总造价的20以上。工艺和公用工程管道万一发生故障，同样可能引起严重的火灾、爆炸、中毒、腐蚀和化学灼伤事故。因此，工艺管道的设置应作为定性安全性评价不容忽视的重要内容。(1)管道应按不同的压力、温度和材质等要求正确的分成不同等级。同一等级的管道使用相同级别的材质、型号或形式的管子和附件。对于非腐蚀性介质的管子及附件主要根据设计温度选用相应的材质。用于腐蚀性介质的管子及附件，还要考虑材料的耐腐蚀性要求。管道壁厚根据管内压力、管外径，在工作温度下的设计应力等确定。法兰的密封面有平面、凹凸面和榫槽面3种，其密封性能和价格均按次序递增。对于一般介质可用平面法兰，易燃易爆介质采用凹凸面法兰。有剧毒介质或高压的管道采用榫槽面法兰法兰与管道连接方式有螺纹、平焊和对焊。螺纹连接只能用于低压、小口径、焊接不方便的情况；平焊连接用于压力低于25 MPa时。压力大予等于40MPa时，一律采用对焊法兰。对于腐蚀性介质，为了节省耐腐蚀材料，可以采用翻边法兰或焊环法兰。阀门选择：根据阀门的用途，常规阀门可以分为切断阀和调节阀两类。切断阀主要用于停启物料的流动，例如，闸阀、柱塞、球阀等。调节阀用于人工调节或自动调节物料的流量，例如，截止阀等。应注意闸阀不宜作调节流量用；旋塞和球阀MPa以下是理想的切断阀；蝶阀适用于压力在16的各种管线的启闭和流量调节；截止阀不能用于有悬浮固体的流体；止回阀的密封性能并不强，因此在它的一端仍需设置切断阀；隔膜阀适用于温度低于200，压力小于1 MPa的酸性腐蚀性介质；安全阀自动开启排放后，阀座复位往往不能密封，应在停车后检修等等。(2)管道布置应注意问题应通过设置适当的管架、设弯头、回路，必要的膨胀弯头或波纹膨胀节等补偿措施，消除管道对相连设备施加超出该设备能承受的应力。对于长管道，为了防止管道挠度遗大，需要规范设置管道支架。支架类别分为滑动式和固定式支架。滑动式支架的使用是为了减少管路的热膨胀应力。但也必须有一定的固定式支架，以免管道过大的位移。管架的间距要求见有关资料。对于停止生产时要求靠重力排净积存介质的管道，敷设时应有按介质流动方向倾斜的适当坡度。对于粘性物料，坡度应大一些。4结束语化工装置定性安全评价是综合性、系统性的技术工作，所涉及的知识面非常广泛。其结果的正确性，对保证火灾、爆炸、毒性事故风险定量结论的真实性和可靠性起着举足轻重的决定性作用。评价人员需有坚实的理论基础、正确的评价方法和高度的责任心，才能完成好这一工作。笔者结合工作实践，对化工工艺和设备安全性定性评价应涉及的基本内容和方法做了研究，希望能起到抛砖引玉的作用。