化工工艺设计中危险识别与优化控制

马静(贵州首信安全技术有限公司宁夏分公司，宁夏 银川 750012)

0 引言

近年来，我国化工行业不断发展，化工工艺技术体系日趋完善，我国化工行业在新技术的助力下迈入全新发展阶段。在化工工艺设计中，由于许多化学产品是有害化学物质，因此，必须强调对有害物质的危险识别和控制，降低化工设计中的危险因素，提高化工工艺设计质量。

1 化工工艺设计概述

1.1 工艺设计概念

化工工艺设计是由设计人员根据化工生产要求，结合相关工艺技术，合理安排工艺流程步骤，从而引导后续化工生产工作有序开展，将原料经过化学反应转变为化工产品的一项综合性活动。化工工艺流程主要由设备配置、原材料处理、化学加工与产品精制四部分组成。其中，设备配置是在生产车间内配置若干台数的化工设备与配套防护装置。原材料处理是将所准备化工原料经过净化、提纯、混合等一系列预处理，加工后的原料可以更为有效的参与到化学反应过程中。化学加工是控制原料在特定环境条件下进行氧化、还原、异构化等一系列化学反应，从而获取目标产物或是化学混合物。而产品精制是对化学混合物进行分离处理，从中提取化学产物与各类副产物，即可完成化工生产任务[1]。

1.2 工艺特征

目前，化工工艺具备过程复杂、危险集中、设计周期短的特征，设计人员应深入了解工艺特征，在其基础上树立正确的设计思路。第一，过程复杂，化工工艺由原料预处理、氧化反应、还原反应、过滤处理等多道步骤组成，如果前后道工艺环节衔接不当，或是工艺设计不合理，都可能形成危险隐患。第二，危险集中，绝大多数工艺危险源集中分布在原料存储、化学反应等少数阶段，一旦发生工艺设计不当、生产人员错误操作、设备老化失效等问题，会导致多项突发问题与安全事故的产生。第三，设计周期短，为避免耽误生产活动开展，化工企业对化工工艺设计周期有很严格的规定，设计人员必须在限定时间内制定出最佳的工艺方案，并有效识别与排除各项危险隐患。

2 化工工艺设计中的危险识别措施

2.1 危险源辨识

在化工工艺过程中，各项危险源都具备隐蔽性、潜伏性特征，如果设计人员仅依靠自身工作经验和主观判断，很难辨别危险隐患，导致后续化工生产过程、生产安全存在不确定性。因此，设计人员需要灵活应用故障假设、检查表分析、故障类型分析等多项方法，并掌握各项方法的操作要点，具体如下：

第一，故障假设法。设计人员根据自身工作经验与借鉴同类项目案例，假设化工工艺方案实施期间出现的故障问题，从工艺实操等角度判断假设故障是否具备出现可能。随后，逆向推导各项故障问题的造成后果、出现位置、形成原因，围绕故障成因采取相应措施，从而预防此类问题的出现，从根源上消除危险性。

第二，检查表分析法。此项方法是由管理、生产等部门根据以往工作经验来提出多项问题，如化工设备持续运行一段时间后是否出现工况不稳情况、各项工艺技术间是否具备搭配应用条件等。随后，将所提出问题汇总成表，移交给设计人员进行解答。为此，设计人员可以从现场生产、设备管理、安全管理等多个角度来分析化工工艺方案的可行性，更为全面的识别到工艺危险隐患，围绕所发现问题来采取改进措施、修改工艺方案。

第三，故障类型分析法。考虑到各项故障问题的形成原因、造成影响存在明显差异，盲目采取危险控制措施时的控制效果并不理想。因此，设计人员需要根据自身经验来判断故障类型，将特征、属性相似的故障隐患整理为单个类别，后续制定面向各类故障问题的应对方案[2]。例如，将化工设备故障分为意外运行、运行期间故障、不能按时停止、不能按时运行四类。

2.2 明确危险隐患来源

在化工工艺过程中，危险隐患来源具备多元化特征，具体来源包括管道、化工设备、工艺路线、防护设备、原料存储等多个方面。如果安全设计范围没有完全涵盖全部危险来源，可能在后续化工生产期间出现各类安全事故。因此，在化工工艺设计环节，设计人员必须明确各来源中的危险隐患种类、特征与形成原因，在工艺方案中采取相应防治处理措施，为化工生产安全提供有力保证。

第一，对输送管道。输送的气态、液态化工原料普遍具备较强的污染性和腐蚀性，随着时间推移，管内介质持续对管道结构施加腐蚀作用，使得管道老化磨损速度加快、使用性能明显下滑，最终引发管道破裂、渗漏、变形等一系列问题，还会在管道内化工原料泄漏后释放有毒气体，并引发火灾等次生灾害。因此，设计人员需要在计划中明确标注各条管道的性质、可输送介质种类、使用寿命，并前往现场检查各条管道的使用工况是否达标，必要时更换全新管道或修复管道破损部位。

第二，对化工设备。设备故障是主要危险隐患，形成原因包括设备台数偏少、设备维护保养不及时、环境适应能力差等，应围绕故障原因来采取安全设计措施。例如，因设备台数偏少导致化工设备长时间保持满负荷、超负荷状态运行，使得设备老化速度加快、故障率提高，设计人员应调查实际生产需要来确定设备台数，并额外设置一定台数的多余设备作为备用。因设备维护保养不及时而导致设备工况持续恶化、一段时间后出现部件松脱等故障问题，需要在工艺方案中合理安排设备运行时间、中途预留足够时间来开展维护保养作业。因设备环境适应能力差，当化工设备处于复杂现场环境时，出现内部进入灰尘杂质、工作温度超标，设计人员应在现场配置可自动切换运行模式、防护等级较高的化工设备[3]。

第三，对工艺路线。常见危险隐患主要是前后道工艺衔接不当、工序冲突，例如，没有在计划中为化工原料预留足够时间来参与化学反应，便直接进入下道工序，因原料状态未达到标准要求而出现一系列问题。设计人员应提前收集、了解工艺技术资料文件，判断工艺方案是否可行。同时，根据工艺方案编制作业指导书，约束、指导现场生产作业开展。

第四，对防护设备。常见危险隐患包括设备种类不全、设备超期使用。首先，种类不全问题是没有在生产现场配备防尘设备、防毒设备、防噪声设备等齐全的防护设备，导致一些生产人员在复杂的环境中出现身体健康问题。所以，必须在工艺方案中明确规定所需防护设备的具体种类。其次，设备超期使用主要是在现场仍然使用年限较长、防护失效的设备，导致化工生产防护工作流于形式，没有起到防护效果。因此，设计人员应在计划中规定各类防护设备的最大使用寿命与失效判定标准。

第五，对原料存储。危险隐患主要是由于错误选用原料存储装置，导致原料状态受到外部环境影响而出现变化，因持续腐蚀装置而导致存储装置失效、原料泄漏。对此，设计人员需要综合分析共用物料的状态、理化性质和危险危害特性，合理选择存储装置种类型号。

2.3 危险可能性分析

在不同工艺条件下，各项危险事件的出现率存在明显差异，如果设计人员完全按照同类项目案例来制定工艺方案与危险控制方案，不但会造成生产资源和管理资源的无效浪费，还有可能在生产期间出现安全事故造成实质性损失。因此，设计人员应采取失效概率论、故障树分析等方法，准确计算各项危险事件的出现可能性。

第一，失效概率论。此项方法适用于辨别单元装置失效、化工设备故障问题的出现率，使用泊松分布计算公式，根据已掌握信息来计算各处部件在特定时间间隔范围内的失效概率。一般情况下，化工设备在初期、后期使用阶段的失效率较高，中间使用阶段则保持稳定运行工况，失效率较低。

第二，故障树分析。此项方法采取演绎推理方式来判断目标事件出现情况与逻辑关系，设计人员提前将危险事件设定为分析起点，按照因果逻辑关系来逐层列出事件形成原因，随后采取定量分析手段，推测事件后续演变过程，从中挑选发生概率最高的演变过程作为输出结果，从而判断目标事件的出现率。

2.4 后果严重程度分析

为准确掌握各类危险事件的影响系数与危害程度，避免因危险控制力度过强而造成资源浪费，或是因危险控制力度不足而导致危险事件失控。设计人员要结合已知信息，分析原料泄漏、火灾、爆炸等危险事件的后果。以爆炸事故为例，运用F&EI爆炸指数法，根据已掌握信息来计算暴露区域面积、暴露区域半径、单元工艺危险值，并根据单元工艺危险值和物质系数来求解单元爆炸指数，单元爆炸指数小于60、处于61～96区间、处于97～127区间、处于128～158区间和超过159时，分别将爆炸事故危险等级判定为轻级、较轻、中等、严重和极端级别[4]。

3 化工工艺设计中的危险隐患优化控制策略

3.1 优选化工设备

在化工设备选型配置环节，设计人员应根据实际生产需要、现场环境条件与工艺技术种类，来配置恰当种类型号的化工设备，并掌握关键设备、存储装置、输送管道的选择要点。

第一，关键设备配置。关键化工设备包括反应器、气液传质设备、传热设备、化工用泵等，应掌握各类设备的性能特点与适用场合。例如，对化工用泵设备，根据现场条件与工艺要求进行选择，在流量较大与液体中气体体积含量不超过5%时配置叶片式离心泵；在输送温度保持在-100～250 ℃区间时配置叶片式高速泵；在输送化工原料具备剧毒、易燃易爆等特性时配备叶片式屏蔽泵。在配置固体催化反应器时，根据操作方式来选择具体型式，以管式间歇为操作方式时可配置固定床反应器或提升床反应器，以全混间歇为操作方式时可配置流化床反应器[5]。

第二，存储装置配置。设计人员提前了解所需存储化工原料的性质，在其基础上选择最佳存储形式、确定存储装置型号种类。以存储罐体为例，在存储沸点不超过45 ℃的甲B类液体时配置具备降温存储条件的常压或是低压储罐，在存储沸点不超过45 ℃的乙A类液体时配置浮顶储罐或是内浮顶储罐。同时，设计人员还应在库房等区域内分散布置各组储罐，明确相邻储罐的最小防火间距，避免因单个储罐泄漏而引发联锁爆炸事故。

第三，输送管道配置。设计人员应根据所输送化工原料性质来设定管道级别，在输送极度危害毒性程度介质时应配备SHA或是SHB级别的管道，在输送其他气体液体介质时配置SHC级别管道即可。随后，根据介质输送要求、工艺要求与生产工况等因素来确定管道设计压力、设计温度等参数，避免管道在使用期间因压力超标、温度超标而出现扭曲变形、破裂等质量通病。

3.2 营造良好防护环境

在化工生产过程中，受到原料状态、人为操作、现场环境等因素影响，存在原料泄漏等安全问题，尽管采取多项防治措施，仍旧无法彻底杜绝此类问题的出现。同时，部分化工企业由于防护设备配备不全，在出现各类安全事故后，由此引发人员中毒、现场人员窒息、身体遭受化学灼伤等连锁问题。为避免人员伤亡出现，设计人员应在工艺方案中配置种类齐全的防护设备，以此营造良好的防护环境，有效隔离各类危险源与现场生产人员的直接接触，防护设备种类包括身体防护设备、呼吸防护设备、听觉防护设备。一般情况下，化工企业应在生产现场配备防化服、防护口罩、全面式防护面具、辅助呼吸器、耳罩、耐酸碱安全鞋等防护设备。同时，还需要在生产现场布置大量消防器械、除尘器、气体检测仪、防火卷帘等装置。在化工生产期间，通过传感器、探测器持续感知生产环境情况，当检测到火灾等安全事故时，立即组织现场人员有序疏散，向防火卷帘等装置下达联控指令，迅速扑灭着火点等危险源。

3.3 制定长效设备维护保养方案

在化工生产期间，化工设备长时间保持运行状态，加之受到现场复杂环境影响，导致设备老化速度加快，投运使用一段时间后的故障出现率明显提高，最终引发各类故障出现。因此，为始终保持化工设备稳定工况，预防故障问题出现，设计人员应在工艺方案中明确化工设备的维护保养周期、使用性能要求。随后，编制维修作业指导书，在指导书中规定化工设备维护保养流程步骤、操作要点、质量判定标准、常见问题解决方法。例如，在泵机启动前，要求生产人员详尽检查泵机底座螺栓紧固情况、压力表指针是否归回零位、进出阀门开启后是否存在渗漏情况。最后，考虑到各台化工设备的故障率、使用工况有所不同，还应采取分级维护方法，对化工设备综合使用情况进行评价打分，根据打分结果将化工设备分为若干等级，分别制定面向各等级化工设备的维修保养方案，如根据设备故障率来调整维护周期，化工设备故障率越高，则前后次维护保养作业间隔时间越短。

3.4 制定安全巡查方案

化工工艺危险隐患具有突发性和随机性的特征，在化工工艺安全设计期间，要制定配套的安全巡查方案。在化工生产过程中，由管理人员定期前往现场进行安全巡查，及时发现各处安全隐患，督促生产人员限期整改。同时，也可选择在化工生产线上布置摄像头，摄像头拍摄现场监控画面，通过识别特征量来辨别生产期间形成的危险隐患。

3.5 化工工艺仿真设计

化工工艺流程繁琐，生产设备多，在化工生产期间，生产过程易受到多方面因素影响，设计人员很难提前准确预测工艺方案的实施效果，偶尔因问题考虑不周而在生产期间出现各类危险事件。因此，设计人员需要使用到仿真软件，在工艺方案制定完毕后，将方案导入软件中开展仿真模拟实验，模拟化工生产过程与检测产品质量，从中辨别到各项危险隐患，后续根据实验结果来修改工艺方案内容。例如，在仿真模拟实验期间，设计人员重点检查氧化工序中所投加原料与空气混合后是否在氧化反应器内催生出足够的粗产品与副产物，在水解浓缩工序中的活性炭等物质去除率是否达标，脱水工序中的游离水与分子水去除效果是否理想，升华工序中的结晶升华效果与产品产出量是否达到预期要求[6]。

3.6 编制专项危险应急预案

由于各类危险隐患的形成原因、造成影响、出现位置有所不同，为确保危险事件出现后迅速得到有效处理，将所造成损失控制在最小范围内。设计人员在制定化工工艺方案时，需要根据危险清单来编制专项应急预案。如此，在化工生产期间出现危险事件后，生产人员与管理人员可以直接实施对应预案，无需临时商讨处理方案。

以化工原料储罐工艺风险为例，危险源包括原料燃烧、原料爆炸、释放有毒气体等。例如，苯乙烯原料具备有毒性、易挥发、易燃易爆性特征，所泄漏苯乙烯遇到明火时引起燃烧爆炸、在高温条件下产生聚合反应与导致容器破裂，并在人体吸入过量含苯乙烯有毒气体后出现急性中毒反应。对此项危险隐患，一方面，采取选用高性能储罐附件、减小储罐维修检查周期、储罐上加装安全阀组与报警器等配套装置、储罐周边规划禁火区域等措施来预防危险事件出现；另一方面，如果出现原料泄漏、容器炸裂等危险事件，或是出现容器存储压力失控等异常征兆，管理人员需要立即采取启动冷却系统、减少原料存储量、容器泄压、组织现场人员疏散等应对措施[7]。

4 结语

综上所述，为切实保证化工生产安全，帮助化工企业贯彻实现安全生产目标，将安全隐患消灭在萌芽状态。化工企业必须提高对化工工艺安全设计工作的重视程度，在工艺设计期间综合采取危险源辨别、明确隐患来源、危险可能性分析、后果严重程度分析等措施来识别危险源，积极落实优选化工设备、营造良好防护环境、工艺仿真设计等多项危险控制策略，为我国化工行业发展保驾护航。