化工工艺设计中安全风险的识别与控制

齐树文，陈达(亚德(上海)环保系统有限公司，上海 200233)

0 引言

化工工艺为依托化学技术实现生产原料转变的方法、过程，由原料处理、化学反应和产品精制等环节构成，需要在特定设备、条件下完成，确保生产出的产品符合要求。相较于普通工业生产过程，化工生产存在的危险源更多，因此在工艺设计环节应加强安全风险的识别，提出有效的控制措施，通过消除安全隐患保证生产活动安全、可靠开展。

1 化工工艺设计中安全风险识别

1.1 工艺路线风险识别

不同工艺路线将发挥不同作用，同时拥有各自特性，未能进行安全论证将遗留安全隐患。设计实践中，未能加强危险工艺线路管理，对反应原料质量管控不严，从一开始引入安全风险，造成线路频繁发生安全问题。对路线中危险场景进行识别，从失效频率、后果等方面进行考量，实施预防性保护，才能达到路线安全设计要求。但目前许多化工企业将安全责任归结于工艺质量不达标，却未能考虑线路流程的合理性，将难以实现生产过程的有效管控。

1.2 化工物料风险识别

在化工工艺设计中，涉及的物料种类较多、数量不一，其中不乏有易燃易爆带腐蚀性、有毒甚至带有放射性的物料，未能科学管控将引发安全风险。各种物料拥有不同的物理和化学性质，未能合理存储，将给化工生产遗留安全隐患。而未能科学检测，导致物料质量不合格，也可能引发安全事故。在化工反应过程中，物料状态将发生改变，也对工艺设计提出了较高要求，应确保不会出现跑、冒、漏等问题，以免给人员的生命财产安全带来威胁。

1.3 工艺装置(设备)风险识别

在化工生产实践中，需要根据使用场合、工作特点、工作性能、操作工况、原材料特性、经济合理性等综合因素选择工艺装置，所以生产不同化工产品的装置性能、结构形式、容量等都存在差异。选用反应装置，需要结合反应工况确定是否需要承受高温、高压等条件，确保设备结构、材质等符合要求[1]。考量的因素不全面，直接进行装置设计、制造和安装，可能导致装置出现密封不足、反应温度超反应器承受最大限值等问题，引发泄漏、爆炸等安全事故。在工艺设计中，未能配备专业的检验设备，选用的反应类、控制类设备等无法满足生产或操作准确性需求，将增加化学反应危险性，给相关工序带来不良影响。

1.4 工艺管道风险识别

按照工艺流程进行管道布置，需要认识到管道设计不合理将引发泄漏、物料传输不及时等各种情况，造成原本设计的化学反应未能正常进行，或因为危险化学品泄漏造成安全事故。管道用于输送物料，应结合工艺实际进行科学设计，缺乏对不同物料性能差异的考量，选择的管道质量不佳或管道搭接不合理等问题的发生，就可能造成管道受到腐蚀，出现泄漏问题。此外，在管道设计时未考虑振动、水锤、失稳、腐蚀破裂、高温蠕变等因素的影响，尺寸或输送压力等无法达到物料流动要求，也将给化工生产带来安全威胁。

1.5 工艺过程风险识别

在化工反应工艺过程中，控制系统失效、人员误操作、环境变化和机械失效等都可能引发风险，要求在设计阶段全面考量，做好危险分类和危险区划分，对重点工序和危险因素存在的主要作业场所进行监管。而操作危险与人员对工艺、装置、物料、控制系统技术要点的掌握程度等相关，在设计时需要提出具体要求和标准。缺少相关技术标准，未为人员作业提供科学指导，容易引发安全事故。部分操作工序对环境条件也提出了较高要求，如粉尘、杂物过多可能给装置或管道运行带来影响，引发爆炸等安全事故，需要做好提前防控。

2 化工工艺设计中安全风险控制

2.1 优化工艺路线

鉴于生产化工产品的工艺路线多种多样，不同的工艺路线存在不同的潜在风险，理想的化学反应应该具备以下特点：操作简单、安全、高收益和高选择性、节能、使用可再生或可循环利用的试剂与原料。实践中，化工过程难以同时满足所有的目标，按照多目标寻求优化与平衡化工过程为导向，运用软件和经验进行定量和定性进行分析。如废气废液焚烧处理工艺中，物料经过废气输送、废液输送、焚烧系统、余热回收系统、激冷降温、烟气净化(脱硝、脱硫及除尘)系统，最后尾气达标通过烟囱排放。对存在安全风险的环节进行重点分析，通过分段细化筛选出重点监控工艺参数，采取有效控制策略。根据分析结果调整部分装置、工艺等，并定期进行工艺完整性分析，保证生产过程的顺畅性和安全性。

2.2 掌握物料特性

针对物料因素引发的安全风险，从化工物料不同危险特性角度分析揭示其不同特征结构影响因素，明确特征结构因素对危险特性的影响程度及规律，建立物料档案记录，为物料的快速鉴别与筛选提供指导。根据工艺需求，应采购合格的化工原材料，在进厂前加强质量检验，严格执行工艺标准。在物料存储阶段，应按照危险化学品储存要求做到单独存储易燃易爆、有毒等危险物料，并加强存储数量控制，适当降低密度[2]。在存储时，禁止物料与禁忌物处于同一空间，并结合物料特性做好建构物的设计，确保可以满足防漏、防爆等要求。在工艺实践中，需要根据物料特性合理设计反应过程，如在硝化工艺中，使用的硝化剂多带有强氧化性、腐蚀性等，与有机化合物等接触将发生燃烧、爆炸，在工艺设计上应确保硝化剂在反应前不会与这些物质接触，有效预防安全事故发生。在工艺生产过程中，针对储存区、生产区等各个区域，应安排专人进行巡检，确保物料的规范管理，个人防护符合要求，消防设施齐全，全面保障物料存储和使用安全。

2.3 加强装置(设备)分析

在装置选型方面，应结合工艺特点完成安全与风险因素分析，考虑每个装置(设备)对其他过程的影响，达到整个工艺过程的安全化。进行装置设计时，考虑以下原则：采用新设备、新技术，缩小设备尺寸，减少向外释放的危险物料量和设备储存的能量，通过本质安全设计(最小化、替代、弱化、简化等)的策略消除或减少过程中的风险。装置(设备)的设计既要符合工艺设计温度、压力等要求，也要考虑物料本身对设备材质的腐蚀等造成的影响。通常情况下，装置应有针对工艺要求设计合理的控制方案；针对偏离正常工艺要求的工艺过程有预警和干预措施；对超出工艺要求的异常工况有紧急安全保护系统。如在焚烧工艺中，选择焚烧炉、锅炉装置等，应结合以往工艺流程加强安全事故总结，一方面增加关键点的在线测量仪表、泄压阀等；另一方面引入SIS系统预防出现不可控工况。

2.4 管道系统的合理设计

管道设计应符合有关的法规、标准及规程，以及系统流程的要求，同时满足施工、操作和维修等方面的要求。管道的安全设计要考虑以下要点：第一，管径阻力降满足工艺流率、控制要求、泵入口必须汽蚀余量以及避免双相流和噪声污染等要求；第二，对输送腐蚀、易燃易爆、有毒介质的管路，要考虑材质、连接形式和限制流速等要求；第三，管道布置、敷设方式、应力分析、安全距离、管道支架形式及距离等要符合规范要求；第四，其他特殊要求，综合考虑保证安全，例如对于可燃气体、液化烃和可燃气体管道的接地应符合《化工企业静电接地设计规程》；对于可能泄漏危险化学品的泄漏点，设置有毒、可燃有毒气体检测仪，并将检测数据引入火灾和气体报警系统。要对管道安全设计进行全方位的考量，采取多方面的措施来切实保障管道系统的安全。

2.5 仪表系统的合理设计

工艺的监视和控制离不开仪表系统的安全可靠的运行，为此仪表类型的合理设计、选型、安装和维护也是工艺安全的重要组成部分。首先，在工艺设计中仪表的设置要合理有效的检测工艺过程；其次，仪表选型要符合工艺要求、适用环境等；再次，基本过程控制系统和安全系统的独立性，避免因环境温度、压力等共因失效引起的系统失效；然后，设计简洁明了的人机接口画面，对操作人员的操作任务要符合职业要求，并且安排有效的培训。

2.6 开展安全设计审查

在工艺设计工作中，加强设计程序管理，明确各专业条件和责任要求，提升专业素质。开展内部自查、专业审查、多专业会议评审，以及外部的审查、安全监督管理机构审查、预开车安全审查。不同阶段安全设计审查内容不同，前期工作，主要审查工艺设计文件、项目选址和总平面布置方案；在基础设计阶段，安全审查包括总平面布置图、装置设备布置图、危险区域划分图、工艺管道和仪表流程图(P&ID)、公用工程管道和仪表流程图(U&ID)、火炬和安全泄放系统设计、消防系统设计、《建设项目安全设施设计专篇》等对安全设计影响重大的设计文件的审查，以及HAZOP审查、安全仪表系统(SIS)审查；在详细设计阶段，安全审查主要包括修改或新增部分的安全审查、操作手册审查以及HAZOP审查。对设计变更进行评审、验证和确认，如有重大安全设计方案变更时，应进行重新审查。在役化工装置，要按期进行安全设计诊断和审查。不断在实践中总结，以满足最新安全法规、标准和规范，形成符合工艺安全设计要求的适用参考资料。

3 结语

化工工艺安全设计直接决定着化工企业的未来，化工工艺设计要达到最佳流程与设备单元及其间的最佳组合，并创造最佳操作条件，在此条件下使产品成本降低。所有这些目标的实现，离不开化工工艺的安全设计。深入认识化工生产过程中存在的风险、有害因素及危险源、并对潜在的风险进行分析，才能科学、合理性地采取管控措施，消除隐患、降低风险，保证企业与社会人员生命与财产安全。