浅析化工工艺安全设计中危险识别和控制

薛景奎

摘 要：化工生产与国民经济发展有着紧密的关系，而化工生产安全是其稳定发展的重要基础。在化工生产过程中，生产设备管理和工艺设计是否科学合理，安全设计中的危险识别与控制工作是否到位，很大程度上决定了生产的安全性。尤其是对于甲醇制烯烃的化工生产工作，由于其涉及到众多的易燃易爆、有毒有害物质，因此在其生产工作中，一方面对于生产中的危险物质要进行科学管理，做好危險防范措施；对于工艺线路的规划，要降低危险产物的产生，从而降低生产风险；对于反应设备，更要从机械、电气、结构等多方面出发，全面分析可能造成生产事故的风险因素，制定对应的安全防范和应对措施。

关键词：化工工艺；危险识别；控制

随着社会经济的不断发展，国家对工业生产的安全性逐渐重视起来。化工企业的生产工作具有工艺路线复杂、物料与产物危险性大等特点，因此成为了工业安全管理和控制工作的研究重点。在甲醇制取烯烃的化工生产工艺流程中，更是呈现出危险物质众多、设备工艺管理复杂等特点。虽然随着设备和技术的发展，甲醇制烯烃工艺在安全性上已经有了很大的提高，但仍然存在着许多安全隐患。因此在其化工工艺安全设计中要强化安全控制措施，提高操作人员的安全素养和安全技能培训，对于物料管理、工艺规划和设备安全控制都要做出严格规范。这样不仅可以有效防范生产事故的发生，提高对突发事故的应对能力，更能提高生产效率，为企业带来更大的经济效益。

1 甲醇化工设计及其特点

1.1 甲醇制烯烃的主要工艺流程

聚乙烯、聚丙烯等高碳烯烃是现代化工生产的重要基础原料。而甲醇制取聚乙烯、聚丙烯的MTO工艺是目前制取烯烃的重要的化工工艺。在该种方法中，以煤或天然气所制取的甲醇为原料，通过脱水反应形成含有二甲醚的混合物，后转化为低碳烯烃，再通过缩聚反应等形成高级烯烃。该工业流程的反应装置主要包括进料系统、反应器、再生器以及主风系统等，另外还有急冷塔、水洗塔和热量回收系统等。

1.2 甲醇制烯烃的特点

甲醇制烯烃的MTO反应将常见且廉价的化工原料甲醇，合成烯烃等重要的化工产品，具有很强的应用意义，已经在现代化工生产中得到了广泛应用。但在甲醇制烯烃的反应过程中，会产生易燃易爆气体，如二甲醚、一氧化碳、烯烃、氢气等，这类气体在高温反应器内生成，一旦发生泄漏与氧化剂混合，极易发生火灾和爆炸；而该反应的产品和副产品中的许多成分还具有毒性，如果发生泄漏，可能引起操作工人的慢性或急性中毒；MTO工艺反应还会有一定量的醋酸等酸性物质产生，这类物质具有腐蚀设备、线路的危险。因此在甲醇化工工艺中要特别注重安全性，消除潜在的安全隐患，对于可能发生的事故制定合理的应对措施。

2 化工工艺安全设计中的危险识别

目前，国内外大多数化工工艺在设计阶段就开展危险识别，找出工艺偏差和危险点，为更合理的工艺设计和制定科学的安全措施提供依据。大多采用工作危害分析（JHA）、安全检查表分析（SCL）、危险与可操作性分析（HAZOP）、故障树分析（FTA）等分析方法。对工艺物料、工艺路线、反应装置等进行危险识别，找出可能出现的危害后果，从而找出故障发生的原因以及应当采取的控制预防措施。

2.1 工艺物料的危险特性

化工生产的工艺物料，是指生产活动中使用的原料或产生的产品、半产品以及副产品等。这些物料对外界环境要求较为严格，一般具有易燃易爆、毒性或腐蚀性等特点，因此需要从生产流程出发，对化工生产所涉及到的物料进行危险性分析，从而制定合理的安全措施，预防生产事故的发生。由甲醇制烯烃的MTO的主反应方程2CH3OH→C2H4+2H2O、3CH3OH→C3H6+3H2O可以看出，其以工业甲醇为原材料。由于工业甲醇大都以煤或天然气合成，因此其中一般混有氢气、一氧化碳、甲烷等杂质气体。而主反应的产物除了乙烯和丙烯以外，还会产生一定量的乙烷、丙烷等副产物。另外，经过研究发现，MTO反应中还会由于副反应而产生少量的二氧化碳、醋酸等酸性物质。在各类有害物质中，氢气、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，容易在反应过程中引发火灾或爆炸危害；一氧化碳、乙烯、丙烯、甲醇等属于有毒物质，它们的气体、粉尘等一旦发生泄漏，容易引起操作人员的急性和慢性中毒，需要特别防范；而副反应所产生的二氧化碳、醋酸等物质还具有一定的腐蚀性，若产物的储存设备没有考虑耐腐蚀性，就容易发生泄漏，对设备以及电气线路造成损害。另外需要注意的是，在不同批次产品生产工作的中途进行置换作业时，除了会有参与反应的工艺物料以外，还需要使用惰性气体（如氮气）对反应装置进行吹扫。这类惰性气体虽然无毒无害，却容易发生残留，若因置换操作不当导致惰性气体没有排尽，就可能发生操作人员窒息等危险。

2.2 工艺路线的危险识别

虽然甲醇制取烯烃反应的原理是相同的，但根据原料特点、环境条件的不同，可以设计出不同的工艺路线。如何设计更加安全高效的工艺路线，不仅要提高反应的效率，降低生产成本，还能够降低化工生产的危险性，提高安全性，是工艺安全设计人员需要考虑的问题。一般来说，工艺路线的设计尽量减少危险物质的使用，尽可能使原料或产物为无毒、低毒物质，降低因生产条件变化对反应的影响，即使发生小规模泄漏也便于控制；降低生产设备的危险性，在工艺技术方面也要选择成熟工艺，尽量缩短工艺流程，减小生产物料泄漏等风险，降低污染物的排放，减小对环境造成的污染等。

2.3 化工反应装置的危险因素

化工反应装置是整个生产反应得以进行的核心要素，也是整个化工生产过程危险因素的主要来源。反应容器和物料输送管道是化学反应装置的基本结构组成要素。对于反应容器，常由于结构型式设计不当或材质选择不当而造成物理、化学损害，或耐压性不足发生爆炸，密封性不足造成泄漏等；而对于管道，除了常规的耐压、耐高温和抗腐蚀性以外，还需要从力学层面考虑管道的工作应力状态，避免由于承载能力不足造成管道破坏。现代化生产设备中通常安装有大量的电气控制设备，其中包含了变压器、断路器和各式电线电缆等。一方面，这类设备在自身工作时，由于瞬间电流过大、超载等情况，可能造成高温引燃或瞬间放电击穿，引发操作人员烫伤、灼伤或触电等危害，严重时还有燃爆危险；同时，这类电气设备外层一般覆盖有绝缘材料，如果绝缘材料的阻燃性不足，也可能成为诱发火灾的导火索。另外，电气设备由于线路老化、操作与维护不当等问题，本身也可能引发触电伤害，成为伤害的来源。机械设备是化工生产中另一大危险因素，在生产过程中，常用到电机、叶片等高速运动的机械设备，若在运行时没有做好防护措施，操作人员不慎与其接触，则可能造成严重的机械伤害。除了一般的电气、机械设备损害以外，在进行设备吊装、维修等过程中，难免会进行高空操作，如果安全措施不足，还可能造成高空坠落伤害。

3 化工工艺安全设计的控制措施

3.1 工艺物料的安全管理

对于工艺物料的安全控制，必须严格执行安全管理规范。对于可燃气体，要严格保持储存设备的密闭性，进行置换作业时，为了防止发生杂质气体混合，需要使用惰性气体（如氮气）进行吹扫，确保杂质气体排尽。防護用具的佩戴也应严格按照标准执行，在进行高粉尘环境下作业时，需要佩戴防尘口罩等防护用具，对于有毒的气体环境，还需要佩戴防毒用具和呼吸器等。除了做好防护以外，还应当从根源上排出静电、燃爆等危险。对于电气的线路仪表等，可以采用外壳保护性接地的方法进行防雷、防静电。操作人员或设备进场时，要有导出静电操作。对于生产区域的各类金属部件，如扶手、钢架等，都应做好防静电接地。对于厂房的建筑材料，需要达到国家建筑防火规范所规定的阻燃要求。并做好火灾安全疏散设计，在各处安全通道口做出明确标识。另外，对于毒性和腐蚀性作业环境，除了必要的洗净冲淋装置、化学防护设备以外，还需要根据化学安全处理要求设置应急救治设备和药物，以应对可能发生的物料泄漏等安全事故。

3.2 化工工艺路线的安全规划与控制

化工工艺路线的规划中，要提高安全技术水平。首先要提高作业人员的安全素养，熟悉生产作业流程，严格按照安全规范进行操作，并强化安全监督工作，对于违反安全规定的行为，要进行处罚。首先对于工厂噪声，应当设置消音设备，在确实不能限制噪声的区域，要进行噪声超限标识，并配置噪声防护设备。在工艺路线设计时，可以通过控制反应条件来实现产物种类和形成速率的控制，如在反应中减少送料速率、控制加热程度、改善冷却条件，可以很好地预防化学反应失控的发生。在选用工艺设备时，要综合考虑物料的特性和用量，在保证安全的前提下降低设备成本；选用化工原料时，尽量使用纯度高、杂质少、危害性低的原料，并通过工艺设计，尽量减少危害性半产品和副产品的产生；要对工艺路线和生产条件进行优化，一般来说，先进的技术与设备具有更好的安全性，但也需要辩证看待。由于引进新的技术设备会改变原有操作流程，使得漏操作或误操作的可能性增加，因此更需要加强安全操作培训。在化工生产的产物方面，不仅要减小危害性副产物的生成，对于有毒有害产物，也要尽量循环再利用，不能利用的，要用科学的方式进行处理，达到排放标准后才能进行排放，以免造成环境污染。

3.3 反应装置的安全保护措施

反应装置的安全措施，是控制整个化工生产工艺安全的核心工作。首先要选择合适的反应容器，如管式、塔式、固定床和流化床等，在甲醇制烯烃的反应中，应当选择适合于气液混合型的反应容器。对于整个反应装置的液位和流量，应当设置完整的监控系统：在进料部分的换热器中设置甲醇、蒸汽换热器和蒸汽流量串级控制。除此以外，高温条件下的反应，应当在甲醇进料泵出口设置温度高报警，并有紧急冷却与安全泄放系统；由于会产生易燃易爆气体，反应容器还应当具有良好的密闭性，如在甲醇汽提气换热器增加安全阀等。容器的密闭性不只是针对单一气压而言的，因为在化学反应过程中，容器内温度和气压处于动态变化的过程，可能由于多重反应造成气压的急速变化与波动，因此为了确保装置的稳定运行，一方面应当在甲醇进料泵口设置压力过低报警，同时在甲醇缓冲罐设置安全阀，且要安装安全压力释放通道，以应对可能发生的超压危险情况；对于可能产生的腐蚀性、毒性物质，反应容器也要具有足够的耐受能力，同时要设置可燃气体和有毒气体的浓度检测报警器。对于所有的反应报警器，应当有一定的连锁关系，如反应器的温度、压力报警器连锁，进料介质的流量控制与反应系统紧急切断进料的连锁等，将料位、液位与气压等控制形成回路，一旦发生异常，立即启动连锁报警并采取相应的反应器降温、进料切断等措施。反应装置的另一大组成部分是各类反应物料的输送管道。同反应容器类似，对于物料输送管道，也要综合考虑物料的物化性能来进行形式和材质的选择。与反应容器不同的是，管道的安全设计不仅要考虑耐压性和耐高温性能，还需要根据管道的结构和长度，对其工作过程中的应力状态和振动形式加以分析，确保其不会在工作时因内应力和振动而破坏。密封性能是输送管道最重要的性能，为了提高管道的密封性，除了选择优质管道以外，由于管道泄漏常常发生在相邻段的连接部分，因此还要尽量减少管道的连接接头数量。需要特别注意的是，由于甲醇制烯烃反应中的产物有的具有腐蚀性和毒性，因此要避免使用易被破坏和腐蚀的软管。在反应装置中，容易造成漏电危害的电气设备和线路，应当布置在没有爆炸和火灾隐患的安全环境中。对于确实需要布置在危险环境中的电气设备，应该选用安全性能高的设备，并在设备表面做防漏电、阻燃等处理，并将外壳进行接地。对于容易造成机械伤害的设备，如叶片泵等，除了规定安全操作距离以外，还应当安装必要的防护设施，在醒目部位设置紧急停止按钮并设计危险报警系统。在出现意外时，要有科学的疏散方案。

4 结束语

综上所述，甲醇制烯烃工艺安全设计中，涉及到物料管理、工艺规划和设备安全控制等多方面管理，是一项较为复杂的工作。虽然目前该工艺发展已经较为成熟，但在不少安全细节方面还有相当大的优化空间。生产安全不容忽视，只有在化工生产中保证良好的安全性，才可能切实提高生产效率，为企业带来更大的收益。本文仅从制烯烃的现阶段生产状况出发，为生产安全工艺的改进提出一些建议，对于相关生产改进和优化工作具有一定的参考意义。

参考文献

[1]孙少男，左旭升.浅析化工工艺安全设计中危险识别和控制分析[J].社会科学：文摘版，2016.

[2]阎伟，陈树梅.浅析化工工艺设计中安全危险的识别与控制[J].中国化工贸易，2015.