化工过程单元操作的安全隐患分析与风险防控

杜 占

（应急管理部信息研究院，北京 100029）

我国是化工大国，化工产业在国民经济中处于基础性、支柱性地位，约占国内生产总值的12%。化工产业既关乎国计民生、经济发展和社会就业，也与产业链下游的电子信息、新材料、新能源等战略性新兴产业发展密切相关。因此，发展化工产业对新时代社会主义经济建设意义重大。然而，近年来，在我国化工产业高速发展中，安全事故频发，不仅给人民群众的生命财产带来了巨大的损失，也造成了一定的社会恐慌，阻碍了化工产业的发展[1-4]。

本文详细分析了单元操作过程存在的安全隐患，并在此基础上提出了有效的防控措施。

1 基于“三传”单元操作的安全隐患分析

化工生产过程中，化学反应是核心，但从设备数量和操作步骤方面看，其所占比重一般远少于单元操作。单元操作属于物理性操作，包括原料的预处理过程和反应产物的后处理过程，过程中的物质只发生状态变化，化学性质不发生改变。单元操作是化工过程的共有操作，不同化工生产过程包含的单元操作数量不同，组合排列也不同，但进行相同操作的设备和原理往往是一样的，其危险特性也大致相同。

1.1 动量传递类单元操作的安全隐患分析

动量传递类的单元操作主要包括流体输送、搅拌、流体通过颗粒层的流动等三大类。流体输送包括气力输送和液体物料输送。气力输送主要指利用真空泵或风机产生的气流动力实现粉状物料输送，气力输送系统除设备本身因故障损坏外，最大的安全问题是系统的堵塞和静电引起的粉尘爆炸；液体物料的输送主要依靠泵来完成，常见的泵可分为离心泵、往复泵、旋转泵（齿轮泵、螺杆泵）、流体作用泵等4类，而化工生产过程中使用的泵约有80%为离心泵，离心泵在使用过程中可能发生物料泄漏、吸入空气爆炸、静电或轴承过热引起燃烧、机械绞伤等安全事故。搅拌装置有机械搅拌和气流搅拌。机械搅拌装置包括桨式搅拌器、螺旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、特种搅拌器；气流搅拌装置是指利用压缩空气、蒸汽和氮气通入液体介质中进行鼓泡，达到搅拌的目的，易燃液态物料在搅拌过程中蒸发速度较快，产生大量可燃蒸汽，如果泄漏，将与空气形成爆炸性混合物，易燃粉状物料在搅拌过程中极易造成粉尘漂浮而导致粉尘爆炸。流体通过颗粒层的流动主要指过滤过程，即在推动力作用下，使悬浮液（或含固体颗粒热气体）中的液体（或气体）透过介质，固体颗粒及其物质被具有许多孔隙的过滤介质截留，从而使固体及其他物质与液体（或气体）分离的单元操作，常用的液固分离设备有板框压滤机、转筒真空过滤机、圆形滤叶加压叶滤机、三足式离心机、刮刀卸料离心机、旋液分离器等，常用的气固过滤设备有降尘室、袋滤器、旋风分离器等。过滤的主要危险源于物料的危险特性，悬浮液中有机溶剂的易燃易爆特性或挥发性气体的毒害性或爆炸性、以及过氧化物滤饼的不稳定性等。

1.2 热量传递类单元操作的安全隐患分析

热量传递类的单元操作主要包括换热和蒸发两大类。换热是将热流体的部分热量传递给冷流体的过程，传递介质称为换热介质，所用设备称为换热器，化工生产中常见的换热器有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，一般有浮头式换热器、固定管板式换热器、U 形管板换热器、板式换热器等多种结构，换热器的安全问题源于设备堵塞和腐蚀，如果换热器结垢堵塞或者腐蚀损坏，将引起原料和换热介质泄漏，导致燃烧、爆炸等安全事故。蒸发按其采用的压力可分为常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发（真空蒸发），蒸发所用设备称为蒸发器，主要由加热室和蒸发室两部分组成，影响蒸发过程的主要因素有蒸发物固有性质、温度、相间接触面积和相界面气相流速，温度越高、相间接触面积越大、相界面气相流速越高，蒸发速度越快，蒸发操作的安全问题源于蒸发温度的控制，如果蒸发温度控制不当，将引起蒸发物分解或者蒸发器局部过热，导致燃烧、爆炸等安全事故。

1.3 质量传递类单元操作的安全隐患分析

质量传递类的单元操作主要包括吸收、精馏、萃取、结晶等四大类。气体吸收是利用气体混合物各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的单位操作，其逆过程是解吸，影响吸收操作的主要因素有吸收剂纯度、气流速度、喷淋密度、温度、压力，吸收中的溶解热会造成吸收操作温度的变化，因此吸收操作的关键在于正确使用各种冷却装置来控制吸收塔温度，吸收过程存在的安全问题实质是换热过程存在的安全问题。精馏是以液体混合物各组分挥发度的不同，使其分离为纯组分的操作，精馏按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏（真空精馏），精馏过程的主要危险性有易燃液体蒸汽与空气形成爆炸性混合物，遇明火即发生爆炸；塔釜复杂的残留物在高温下发生热分解、自聚及自燃；物料中微量的不稳定杂质在塔内局部浓缩分解爆炸，低沸点杂质进入精馏塔后瞬间产生大量蒸汽造成设备压力骤升而发生爆炸；设备因腐蚀泄漏引发火灾，因物料结垢堵塞发生超压爆炸；精馏温度控制不当，有液泛、冲料、过热分解、超压、自燃及淹塔的危险；加料量控制不当，有沸溢的危险，同时造成塔顶冷凝器负荷不足，使未冷凝的蒸汽进入产品储槽，因超压发生爆炸；回流量控制不当，造成精馏温度偏离正常，同时出现淹塔使得操作失控，造成出口堵塞发生爆炸。萃取是指在待分离的液体混合物中加入一种适宜的溶剂，使其形成两液相系统，利用液体混合物中各组分在两相中分配差异的性质，易溶组分较多的进入溶剂相从而实现混合液的分离，萃取操作的安全关键是萃取剂的选择，萃取剂需有良好的化学稳定性，避免使用过程中分解、聚合腐蚀设备，并产生热效应导致燃烧爆炸等事故。结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程，结晶设备一般按改变溶液浓度的方法分为移除部分溶剂（凝缩）结晶器、不移除部分溶剂（冷却）结晶器或其他结晶器，结晶设备通常装有搅拌器，搅拌作用会使晶体颗粒保持悬浮和均匀分布于溶液中，同时又能提高溶质质点的扩散速度，以加速晶体的长大，结晶操作的安全问题源于搅拌器，如果搅拌器是绝缘体或接地不良，则可能产生静电危险，导致火灾爆炸等安全事故，搅拌器应定期维修，严防搅拌器断落导致物料混合不均匀，局部反应剧烈，引发爆炸；搅拌器应有足够的机械强度和灵活性，防止变形或卡死引发火灾。

上述关于基于“三传”单元操作的安全隐患分析，明确了化学化工过程中可能存在的风险点、危险源，为进一步实施有效的风险防控指明了方向。

2 基于“三传”单元操作的风险防控

单元操作主要是物理过程，需要严格按照工艺设计进行操作，与化学反应过程类似，也需要配置常规自动控制系统，对主要工艺参数进行集中监控及自动调节（DCS 或PLC）；要设置偏离正常值的报警和联锁控制，设置爆破片和安全阀等泄放设施，设置紧急切断、紧急终止反应、紧急冷却等控制措施。设备要有足够的机械强度和耐腐蚀能力并运行可靠，同时需要定期维护、检修。

3 结束语

我国一直是危险化学品生产、使用、进出口和消费大国。目前，我国危化品安全生产工作问题日益凸显，由于设备老化等原因，安全风险加大。随着城镇化进程加快，“化工围城”、“城围化工”的矛盾日益显现，危化品生产一旦发生事故，对周边居民的危害性和影响性极大。为此，本文从基于“三传”单元操作入手，详细分析了化学化工过程存在的安全隐患，并在此基础上提出了有效的防控措施，为化工园区的安全运行提供一定的理论指导。