精细化工项目的本质安全设计

2020-01-12高斌鹏

化工设计通讯 2020年11期

高斌鹏

（南通泰禾化工股份有限公司，江苏南通 226000）

近年来，精细化工行业发生了较多的安全生产事故，导致了重大的人员伤亡和财产损失。由于精细化工项目不可避免地涉及到危险化学品、危险工艺，属于高危行业，国家对精细化工行业建立了综合、立体的监管体系和制度。企业要保证安全生产，除了要满足国家相关法律法规和规章制度，做好安全管理外，精细化工项目设计阶段的本质安全设计尤为重要，这决定了项目自身的安全水平。本文将从以下几个方面入手，分析如何做好精细化工项目的本质安全设计。

1 可靠的工艺来源

1.1 工艺研发

小试和中试工艺开发是精细化工项目的源头，在满足目标产物的前提下，应优先考虑不燃、无毒或低毒的物料来代替可燃、有毒物质；降低反应条件的苛刻程度，例如降低反应温度和压力；采用液体物料代替固体物料等，从源头上开发本质安全的工艺路线。

1.2 异常评价

一个可靠且完善的工艺开发，应分析鉴别各类异常状况并进行记录，在设计过程全部予以考虑并设置相应措施，所有未发现的反应异常过程都是项目安全运行的事故隐患。

工艺开发中需要厘清的异常状况应包括但不限于：一切可能存在的化学反应，包括操作故障、误投料或投料次序错误，引起的危险化学反应和副反应；需评价副反应或错误的反应是否会生产新的毒性或燃爆性物质；各类反应过程是否存在异常的反应器失控、结垢、结块等现象；需要鉴别各种中间态、最终态物料的稳定性、毒性以及燃爆性；考察物料（含中间态物料）与水是否禁忌；对各类反应和物料进行热风险分析[1]；考察反应温度、压力等工艺参数操作失误引起的破坏性结果；考虑副产物等微/少量物质在生产过程中的富集、累积；考虑催化剂的老化、失活、再生等。

2 完善的设计流程

2.1 初步设计

合理安排工艺流程，尽量做到简化，确定间歇还是连续的生产方式。注意各工序的衔接，避免易造成泄漏的无用连接。改善操作条件，选择可靠的单元操作方式，降低操作难度。核算物料的使用量、储存量、生成量和处理量。优选合适的分离方法、三废处理措施等。

2.2 风险分析与评价

采用一种或多种风险分析工具，例如危险与可操作性分析（HAZOP），对初步设计的内容进行定性分析，识别出各个等级的风险。应当注意的是，HAZOP 分析是切实保障精细化工项目本质安全水平的重要一环，需严格按照危险与可操作性分析应用指南[2]做好每一步工作。

2.3 保护层分析

在HAZOP 分析基础上，运用保护层分析（LOPA）和洋葱模型，量化事故场景中的风险等级，采取适当的预防性控制措施和事故减缓措施，将风险降低到可接受的范围。确定是否需要采用安全仪表系统，以及安全仪表系统的等级。需要注意的是，由于精细化工行业的特殊性，在初始事件及其频率方面，一些工业数据库中的取值，不一定能反映本行业或本企业的真实水平，精细化工企业应该结合自身的经验和数据，对数据来源进行一定的适应性修正。

2.4 施工图设计和设计评审

施工图工艺设计应将前期所有分析的措施逐一落实，设计完成后应组织相关专家、各专业人员进行设计评审，检查贯穿整个工艺开发和设计周期的问题是否一一得到了解决，并保证是最优方案。

3 提高材质标准

在精细化工行业中，设备往往在高温、高压、腐蚀性介质的环境中工作，管道设备的腐蚀较为严重，在设计中，如何选择安全可靠的材质具有重要意义。

传统设计中，受限于高端材料价格高昂且较难获取，精细化工行业在腐蚀环境广泛使用的玻璃、石墨、衬塑等设备，普遍存在密封不良、“跑冒滴漏”严重的问题，其易损坏、检修率高，耐温耐压范围低、安全程度较低。

耐腐蚀合金的出现，对提高精细化工本质安全水平具有重要的意义。相比非金属材料，金属材料在加工成形、焊接、法兰连接与密封等方面具有根本优势，可以根据工况，采用不同的连接和密封形式，从根本上解决“跑冒滴漏”的问题，能够减少维护成本。随着材料科技的发展和国内制造水平的提高，各种耐腐蚀合金的产量不断增加，部分合金的国产化也降低了使用成本。

除了化学工业作为基础应用的304、316L、2205等不锈钢外，实际上，各类耐腐蚀合金已经在精细化工行业，尤其是行业龙头企业得到越来越多的应用。例如钽及钽合金，由于优良的耐腐蚀能力，在化工仪表和化工设备方面应用范围不断扩大。另外如奥氏体不锈钢904L、超级奥氏体不锈钢926；镍基合金因康镍（Inconel600）、因克罗伊（Incoloy800）、蒙乃尔（Monel400）；超级双相不锈钢2507；哈氏合金B-2、C-22、C-276；钛合金；锆合金等，基于其各自特殊的耐腐蚀能力，应用范围均不断扩大。

在进行精细化工项目设计时，遇到条件苛刻的工况，可通过相应实验采集腐蚀数据，结合材料的特性，灵活选用，代替搪玻璃、石墨等廉价但易损材质，提高项目安全水平。

4 应用先进的技术和装备

4.1 连续化反应装备

利用微反应器技术代替反应釜，应用在诸如硝化、氧化等反应中，国内的生产厂家、设备厂家和第三方服务公司已有较多研究，也在逐步开展工业化应用。相较反应釜，微反应器具有小体积大面积的特点，传质、传热效果大大加强，持液量大范围减少，使能量难以积聚，从而消除了事故隐患，是一种安全水平较高的设备[3]。虽然有诸多优点，也应该看到，微反应器存在一定局限性，例如在多相反应、催化反应中受到限制，也较易堵塞。

作为精细化工领域的一种先进技术，微反应技术和装备仍值得国内精细化工企业加强研究，在条件允许时，尽可能采用微反应器替代反应釜。

4.2 换热装备

国内精细化工项目耐腐蚀的换热设备，以往多采用石墨、搪玻璃换热器，存在故障率高、安全性低、维修工作量大等问题。近些年来国内发展的螺旋缠绕换热器、碳化硅换热器、四氟毛细管换热器（用在低压场合），可替代一部分石墨和搪玻璃换热器，提高项目安全水平。具体来讲，在腐蚀工况下，可应用前文所述的各类耐腐蚀合金制造螺旋缠绕换热器，或采用碳化硅换热器，要求高时可采用双管板碳化硅换热器，常压低温场合亦可采用四氟毛细管换热器（缺点是传热系数较低），达到替代搪玻璃和石墨换热器的目的。

4.3 流体输送设备

动设备以及密封设备的泄漏一直是精细化工企业安全管理和现场管理的难点，其维护需耗费大量的人力物力。屏蔽泵、磁力泵、软管泵、隔膜泵等新型泵类具有利用静密封代替动密封的特点，本质安全程度高，在精细化工项目设计中，应代替普通离心泵的应用。另外在气体输送领域，螺杆真空泵等干式真空泵、磁力驱动风机也已逐步实现国产化，可在项目设计中灵活采用，替代传统设备。

5 提高自动化水平

传统的精细化工企业具有“小、散、乱”的特点，生产作业主要通过现场人员手动操作实现，各种工艺参数控制主要靠操作人员干预，需要作业人员时刻保持专注，容错率低，对操作人员的知识、技能、责任心、体力要求较高。事实上操作人员很难在工作时间时时刻刻保持专注，误操作概率较高，单靠企业管理很难彻底解决事故风险中“人”的问题。

通过近些年的行业整合，安全水平差、管理不规范的小企业逐步退出，行业集中度增加，企业市场趋向稳定，利润增加，具备了装置升级换代的条件，加上国家不断推进自动化改造，利用自动化减人、替人已成为行业共识，精细化工企业的自动化水平和安全水平不断提高。

随着技术发展和国内人口进入老龄化、人力资源趋紧，自动化、智能化是精细化工行业发展的趋势，在精细化工项目设计中，需要采集数据、控制、操作的地方，应首选自动化，只有当目前的技术难以解决，或者自动化方案的投资令人难以接受，方可考虑人工操作。

6 连续化设计

连续化生产广泛应用在国民生产各个部门，尤其在汽车制造业、半导体工业、食品制造业，最优秀的甚至可以实现“黑灯工厂”，代表了制造业的最高水平。在石油化工领域，连续化生产主要应用在炼油、煤及天然气深加工、石化以及基础化学品制造行业。

近年来，精细化工行业集中度增加，产品吨位不断上升，企业市场和生产较为稳定，具备了连续化生产的可能性。精细化工的连续化生产具有操作稳定、工艺效率高、生产波动小、设备利用率高、人员需求少等特点，是自动化的进一步发展，是企业创新升级的方向，对提升精细化工项目的本质安全水平具有极大促进作用。

在精细化工项目的设计中，应从工艺研发开始，优先开发可连续反应的工艺，优选流态化输送的物料；在设计过程中，可参照石化行业的工艺和思维方式，采用连续化反应装备和连续化单元装备，辅以必要的自动化检测仪表、执行器和控制系统，完成连续化的生产过程。需要注意的是，精细化工的连续化生产具有特殊性，需在设计时考虑开停车状况及操作，以及生产异常时的自动化或人员干预措施。