化工裝置的工藝設(shè)計安全管理分析

馬建偉（浙江化工院科技有限公司，浙江紹興312369）

化工裝置的工藝設(shè)計安全管理分析

馬建偉（浙江化工院科技有限公司，浙江紹興312369）

化工裝置設(shè)計是化工生產(chǎn)得以實施的前提，其在一定程度上決定了化工生產(chǎn)能夠安全穩(wěn)定地進(jìn)行。其中，工藝設(shè)計是整個化工裝置設(shè)計的主導(dǎo)，因此，化工企業(yè)應(yīng)當(dāng)高度重視工藝設(shè)計，在化工設(shè)計過程中有效實施安全管理，嚴(yán)格控制和監(jiān)督工藝設(shè)計，保證其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，讓建造的化工裝置能夠安全穩(wěn)定地生產(chǎn)。本文將重點分析化工企業(yè)工藝設(shè)計的特征，進(jìn)而探討化工企業(yè)工藝設(shè)計中如何有效實施安全管理，希望對提高化工安全設(shè)計水平有所幫助。

化工企業(yè)；工藝設(shè)計；安全管理

化工裝置設(shè)計是化工企業(yè)生產(chǎn)得以實施的前提，化工裝置設(shè)計的好壞直接關(guān)系到裝置建成后生產(chǎn)能否安全穩(wěn)定運行，能否有良好的操作條件，設(shè)備設(shè)施能否安全可靠，維修是否方便可行，建設(shè)投資回報是否符合預(yù)期?；ぱb置設(shè)計是以工藝設(shè)計為主導(dǎo)，并在總圖、土建、設(shè)備、自控、電氣、暖通等相關(guān)專業(yè)的密切配合下完成的，因此，工藝設(shè)計是所有專業(yè)設(shè)計的龍頭。

《GB13690-2009化學(xué)品分類和危險性公示通則》中綜合考慮物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、火災(zāi)爆炸危險程度等因素將常用危險化學(xué)品分為15大類，而化工裝置中的原料、中間品及成品或多或少地涉及這15大類危險化學(xué)品。這充分說明了化工生產(chǎn)存在一定的危險性。出于保證化工生產(chǎn)的安全，在化工裝置設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)高度重視化工工藝設(shè)計，切實有效的實施安全管理，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，從安全角度來監(jiān)督和控制設(shè)備、自控、電氣等專業(yè)的設(shè)計，以提高工藝設(shè)計的應(yīng)用價值，保證后續(xù)化工生產(chǎn)安全、有序地進(jìn)行，最終推出高質(zhì)量的化工產(chǎn)品。由此看來，化工企業(yè)工藝設(shè)計中有效實施安全管理是非常必要的。

1 化工企業(yè)工藝設(shè)計過程中存在的問題

生產(chǎn)不同產(chǎn)品的化工企業(yè)之間的工藝流程互不相同，生產(chǎn)同種產(chǎn)品時，因原料、工藝路線的選擇不同，其工藝流程也不盡相同，這就使得每套化工裝置均具有其獨特性。在化工裝置的設(shè)計過程中，碰到制約裝置安全性設(shè)計的問題又常常一致，探討這些共性問題，解決設(shè)計過程中的安全隱患就顯得尤為重要。在設(shè)計過程中，我們經(jīng)常會碰到以下共性問題：

(1)化工設(shè)計基礎(chǔ)資料不完整。一般情況下，工藝設(shè)計的基礎(chǔ)資料的來源有兩條途徑：1）由研發(fā)根據(jù)已有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算，并通過小試實驗驗證后編制而成的工藝包；2）已工業(yè)化應(yīng)用、生產(chǎn)工藝成熟裝置的工藝包，成熟化工裝置最初的工藝設(shè)計基礎(chǔ)資料同樣來源于第一條途徑。模擬計算及小試實驗數(shù)據(jù)并沒有經(jīng)過工業(yè)化生產(chǎn)的檢驗與修正，因此數(shù)據(jù)和資料的真實性、完整性及有效性并不高?？傮w來講，最初的化工企業(yè)工藝設(shè)計具有設(shè)計基礎(chǔ)資料不完整的特征。

(2)工藝設(shè)計工作強度大。為了盡快的推出化工產(chǎn)品，占領(lǐng)市場，需要盡可能的壓縮項目建設(shè)時間，相應(yīng)的工藝設(shè)計時間會安排得比較緊湊。這就意味著設(shè)計人員需要在短時間內(nèi)進(jìn)行物料衡算、熱量衡算，提出工藝流程圖、設(shè)備布置圖、設(shè)備一覽表，將設(shè)備、自控、電氣等條件提給各專業(yè)進(jìn)行設(shè)計，這大大增加了工藝設(shè)計的工作強度。因前期設(shè)計工作不充分，在建設(shè)過程中逐漸暴露出來諸多問題，勢必要進(jìn)行設(shè)計變更，出現(xiàn)邊建設(shè)邊更改設(shè)計的現(xiàn)象，也導(dǎo)致了部分隱蔽的安全問題遺留到生產(chǎn)裝置中。

(3)設(shè)計結(jié)果因設(shè)計者的不同而有所區(qū)別。在設(shè)計時，會因設(shè)計者的能力、經(jīng)驗以及喜好的不同，會選用不同的設(shè)計方案，最終影響化工裝置的設(shè)計。裝置設(shè)計的安全性也往往受化工企業(yè)對安全的重視程度的影響。在投資收益一定的情況下，企業(yè)為追求高投資回報率（ROI），都會最大程度地控制投資額，此時化工企業(yè)對安全的重視程度就往往決定了安全設(shè)施的投入在總投資中的占比。

(4)化學(xué)反應(yīng)安全性分析不透徹、設(shè)備材質(zhì)選型不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е律a(chǎn)裝置隱患及事故頻發(fā)。

2 化工企業(yè)工藝設(shè)計中安全管理優(yōu)化的措施

從以上的共性問題可以看出，如果不解決這些問題，將給后續(xù)的裝置生產(chǎn)埋下較大安全隱患，因此，如何有效地處理好這些問題將是保障化工裝置生產(chǎn)安全性的前提。筆者結(jié)合自身的化工設(shè)計經(jīng)驗提出以下措施:

(1)化工生產(chǎn)中所應(yīng)用的原材料、半成品、中間產(chǎn)品、副產(chǎn)品或產(chǎn)品都可能存在危險特性，有些物質(zhì)甚至是劇毒的，威脅著人們的健康及生命。因此，在研發(fā)階段，就應(yīng)當(dāng)充分識別物質(zhì)的理化性質(zhì)、穩(wěn)定性、化學(xué)反應(yīng)活性、爆炸特性、毒性等，盡量選擇最為安全的、適用的物料來開發(fā)生產(chǎn)工藝，以降低化工生產(chǎn)的危險性。當(dāng)然，生產(chǎn)的經(jīng)濟性和先進(jìn)性考慮是必不可少的，如必須選用較危險的物料及工藝路線時，研發(fā)過程中，應(yīng)當(dāng)盡可能緩和反應(yīng)條件的苛刻程度，如利用適合的催化劑來緩解化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度；盡可能地運用成熟的、安全性高的設(shè)備、技術(shù)，取消或縮小中間貯罐以減少危險介質(zhì)的儲藏量。

在模擬物料流時，一些常見化學(xué)品的數(shù)據(jù)可以在很多數(shù)據(jù)庫中找到，如ASPEN等軟件的數(shù)據(jù)庫，有了數(shù)據(jù)庫的支撐，擬合的結(jié)果就能比較真實地反應(yīng)實際情況。但對于一些非常規(guī)的物料（特別是中間品），沒有數(shù)據(jù)支撐，會導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況出現(xiàn)較大偏差。因此，在研發(fā)過程中，企業(yè)可以安排實驗來獲取物質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或者委托在該領(lǐng)域進(jìn)行過相關(guān)研究的高校、研究院來獲取數(shù)據(jù)。

沒有經(jīng)過中試裝置的檢驗與修正，小試實驗的數(shù)據(jù)和資料的真實性、完整性和有效性并不高，是不能直接應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化裝置的。如液相反應(yīng)的小試實驗側(cè)重于研究反應(yīng)機理、轉(zhuǎn)化率、選擇性等問題，完全不用考慮傳質(zhì)傳熱問題，實際工業(yè)化應(yīng)用時，有無攪拌對某些液相反應(yīng)結(jié)果影響很大。因此，在小試實驗的基礎(chǔ)上搭設(shè)中試裝置進(jìn)行放大生產(chǎn)，獲取中試裝置的完整數(shù)據(jù)后再進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，這過程雖然會增加新產(chǎn)品開發(fā)時間，但是這大大提高了產(chǎn)業(yè)化裝置的生產(chǎn)穩(wěn)定性、安全性。作為公司的技術(shù)儲備，小試、中試可以提前做，同步開發(fā)前期市場，積累客戶源。

(2)企業(yè)在做技術(shù)儲備時，可以將成熟裝置的工藝操作單元模塊化。在新產(chǎn)品選用相同的工藝單元操作時，只需將模塊化的工藝操作單元進(jìn)行復(fù)制，再結(jié)合該物質(zhì)的理化特性及物流數(shù)據(jù)，就可以比較快速地設(shè)計出符合實際生產(chǎn)的工藝流程，節(jié)省工藝設(shè)計時間。

技術(shù)方案編制、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計期間，企業(yè)應(yīng)當(dāng)在項目人員的數(shù)量和質(zhì)量上給予支持，從職能、車間抽調(diào)相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的專業(yè)技術(shù)人員組成團隊來參與設(shè)計、審查，部分專業(yè)技術(shù)人員也可兼職參與；設(shè)計院方面可以通過采用先進(jìn)軟件，建立成套模塊，并細(xì)化分工，組織超額設(shè)計人員集中完成設(shè)計，來降低設(shè)計強度，保障設(shè)計質(zhì)量。

(3)設(shè)計過程中，設(shè)計院應(yīng)當(dāng)根據(jù)化學(xué)原理以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實際工況進(jìn)行裝置設(shè)計，不能完全按照企業(yè)的意愿來含糊地設(shè)計出不合規(guī)的裝置；設(shè)計院應(yīng)當(dāng)充分考慮裝置的先進(jìn)性及安全性，符合國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，使裝置不因為未來幾年政策調(diào)整而大幅變動。

(4)化學(xué)反應(yīng)是整個產(chǎn)品生產(chǎn)的核心，一般通過反應(yīng)才能得到所需的產(chǎn)物，同時反應(yīng)也帶來了許多危險性因素。在化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)的失控往往是由于熱量不能及時移除引起溫度過高或局部溫度過高，使化學(xué)反應(yīng)的速度加快，產(chǎn)生更多熱量，導(dǎo)致反應(yīng)的失控，因此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)反應(yīng)機理控制合適的反應(yīng)溫度、壓力，提高物系的傳熱傳質(zhì)效率，防止局部過熱，如在液相反應(yīng)釜中設(shè)置攪拌，設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等措施，防止反應(yīng)系統(tǒng)失控。在設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行危險與可操作性分析（HAZOP）和保護層分析（LOPA），并進(jìn)行安全完整性等級評估（SIL），根據(jù)認(rèn)定結(jié)果，如需設(shè)置獨立安全儀表系統(tǒng)（SIS）應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，確保安全儀表功能設(shè)置合理，緩和不可避免災(zāi)害的風(fēng)險。

設(shè)備材質(zhì)的選擇是風(fēng)險控制的基礎(chǔ)，不容忽視。其中特別需要注意的是，物質(zhì)狀態(tài)的不同，對設(shè)備材質(zhì)的腐蝕性也會天差地別。如純凈的氟化氫（AHF）對碳鋼沒有腐蝕性，一旦摻入水，氟化氫就表現(xiàn)出對碳鋼極強的腐蝕性，而鋼襯PTFE或者monel400就可以耐含水的氟化氫。鈦材是濕氯介質(zhì)里優(yōu)良的耐腐材料，但在干氯中，卻會劇烈反應(yīng)，甚至燃燒。因此，在選擇設(shè)備材質(zhì)時除了參考規(guī)范進(jìn)行設(shè)計時，還要根據(jù)實際工況下進(jìn)行掛片實驗，根據(jù)掛片實驗結(jié)果選擇合適的材質(zhì)。

3 結(jié)語

化工生產(chǎn)中的安全問題一直是人們重點關(guān)注的內(nèi)容，而避免出現(xiàn)安全事故的主要途徑就是最大限度的消除安全隱患。要想做到這一點，最直接、最有效的辦法就是在工藝設(shè)計時進(jìn)行有效實施安全管理，保證工藝路線選擇、工藝流程、安全儀表系統(tǒng)、設(shè)備材質(zhì)等方面的設(shè)計合理、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，那么后續(xù)的化工生產(chǎn)必然能夠安全穩(wěn)定地開展，最終生產(chǎn)出高質(zhì)量的化工產(chǎn)品?？傊て髽I(yè)工藝設(shè)計中強化安全管理具有較高的現(xiàn)實意義。