精細化工項目的本質安全設計

高斌鵬

（南通泰禾化工股份有限公司，江蘇南通 226000）

近年來，精細化工行業發生了較多的安全生產事故，導致了重大的人員傷亡和財產損失。由于精細化工項目不可避免地涉及到危險化學品、危險工藝，屬于高危行業，國家對精細化工行業建立了綜合、立體的監管體系和制度。企業要保證安全生產，除了要滿足國家相關法律法規和規章制度，做好安全管理外，精細化工項目設計階段的本質安全設計尤為重要，這決定了項目自身的安全水平。本文將從以下幾個方面入手，分析如何做好精細化工項目的本質安全設計。

1 可靠的工藝來源

1.1 工藝研發

小試和中試工藝開發是精細化工項目的源頭，在滿足目標產物的前提下，應優先考慮不燃、無毒或低毒的物料來代替可燃、有毒物質；降低反應條件的苛刻程度，例如降低反應溫度和壓力；采用液體物料代替固體物料等，從源頭上開發本質安全的工藝路線。

1.2 異常評價

一個可靠且完善的工藝開發，應分析鑒別各類異常狀況并進行記錄，在設計過程全部予以考慮并設置相應措施，所有未發現的反應異常過程都是項目安全運行的事故隱患。

工藝開發中需要厘清的異常狀況應包括但不限于：一切可能存在的化學反應，包括操作故障、誤投料或投料次序錯誤，引起的危險化學反應和副反應；需評價副反應或錯誤的反應是否會生產新的毒性或燃爆性物質；各類反應過程是否存在異常的反應器失控、結垢、結塊等現象；需要鑒別各種中間態、最終態物料的穩定性、毒性以及燃爆性；考察物料（含中間態物料）與水是否禁忌；對各類反應和物料進行熱風險分 析[1]；考察反應溫度、壓力等工藝參數操作失誤引起的破壞性結果；考慮副產物等微/少量物質在生產過程中的富集、累積；考慮催化劑的老化、失活、再生等。

2 完善的設計流程

2.1 初步設計

合理安排工藝流程，盡量做到簡化，確定間歇還是連續的生產方式。注意各工序的銜接，避免易造成泄漏的無用連接。改善操作條件，選擇可靠的單元操作方式，降低操作難度。核算物料的使用量、儲存量、生成量和處理量。優選合適的分離方法、三廢處理措施等。

2.2 風險分析與評價

采用一種或多種風險分析工具，例如危險與可操作性分析（HAZOP），對初步設計的內容進行定性分析，識別出各個等級的風險。應當注意的是，HAZOP 分析是切實保障精細化工項目本質安全水平的重要一環，需嚴格按照危險與可操作性分析應用指南[2]做好每一步工作。

2.3 保護層分析

在HAZOP 分析基礎上，運用保護層分析（LOPA）和洋蔥模型，量化事故場景中的風險等級，采取適當的預防性控制措施和事故減緩措施，將風險降低到可接受的范圍。確定是否需要采用安全儀表系統，以及安全儀表系統的等級。需要注意的是，由于精細化工行業的特殊性，在初始事件及其頻率方面，一些工業數據庫中的取值，不一定能反映本行業或本企業的真實水平，精細化工企業應該結合自身的經驗和數據，對數據來源進行一定的適應性修正。

2.4 施工圖設計和設計評審

施工圖工藝設計應將前期所有分析的措施逐一落實，設計完成后應組織相關專家、各專業人員進行設計評審，檢查貫穿整個工藝開發和設計周期的問題是否一一得到了解決，并保證是最優方案。

3 提高材質標準

在精細化工行業中，設備往往在高溫、高壓、腐蝕性介質的環境中工作，管道設備的腐蝕較為嚴重，在設計中，如何選擇安全可靠的材質具有重要意義。

傳統設計中，受限于高端材料價格高昂且較難獲取，精細化工行業在腐蝕環境廣泛使用的玻璃、石墨、襯塑等設備，普遍存在密封不良、“跑冒滴漏”嚴重的問題，其易損壞、檢修率高，耐溫耐壓范圍低、安全程度較低。

耐腐蝕合金的出現，對提高精細化工本質安全水平具有重要的意義。相比非金屬材料，金屬材料在加工成形、焊接、法蘭連接與密封等方面具有根本優勢，可以根據工況，采用不同的連接和密封形式，從根本上解決“跑冒滴漏”的問題，能夠減少維護成本。隨著材料科技的發展和國內制造水平的提高，各種耐腐蝕合金的產量不斷增加，部分合金的國產化也降低了使用成本。

除了化學工業作為基礎應用的304、316L、2205等不銹鋼外，實際上，各類耐腐蝕合金已經在精細化工行業，尤其是行業龍頭企業得到越來越多的應用。例如鉭及鉭合金，由于優良的耐腐蝕能力，在化工儀表和化工設備方面應用范圍不斷擴大。另外如奧氏體不銹鋼904L、超級奧氏體不銹鋼926；鎳基合金因康鎳（Inconel600）、因克羅伊（Incoloy800）、蒙乃爾（Monel400）；超級雙相不銹鋼2507；哈氏合金B-2、C-22、C-276；鈦合金；鋯合金等，基于其各自特殊的耐腐蝕能力，應用范圍均不斷擴大。

在進行精細化工項目設計時，遇到條件苛刻的工況，可通過相應實驗采集腐蝕數據，結合材料的特性，靈活選用，代替搪玻璃、石墨等廉價但易損材質，提高項目安全水平。

4 應用先進的技術和裝備

4.1 連續化反應裝備

利用微反應器技術代替反應釜，應用在諸如硝化、氧化等反應中，國內的生產廠家、設備廠家和第三方服務公司已有較多研究，也在逐步開展工業化應用。相較反應釜，微反應器具有小體積大面積的特點，傳質、傳熱效果大大加強，持液量大范圍減少，使能量難以積聚，從而消除了事故隱患，是一種安全水平較高的設備[3]。雖然有諸多優點，也應該看到，微反應器存在一定局限性，例如在多相反應、催化反應中受到限制，也較易堵塞。

作為精細化工領域的一種先進技術，微反應技術和裝備仍值得國內精細化工企業加強研究，在條件允許時，盡可能采用微反應器替代反應釜。

4.2 換熱裝備

國內精細化工項目耐腐蝕的換熱設備，以往多采用石墨、搪玻璃換熱器，存在故障率高、安全性低、維修工作量大等問題。近些年來國內發展的螺旋纏繞換熱器、碳化硅換熱器、四氟毛細管換熱器（用在低壓場合），可替代一部分石墨和搪玻璃換熱器，提高項目安全水平。具體來講，在腐蝕工況下，可應用前文所述的各類耐腐蝕合金制造螺旋纏繞換熱器，或采用碳化硅換熱器，要求高時可采用雙管板碳化硅換熱器，常壓低溫場合亦可采用四氟毛細管換熱器（缺點是傳熱系數較低），達到替代搪玻璃和石墨換熱器的目的。

4.3 流體輸送設備

動設備以及密封設備的泄漏一直是精細化工企業安全管理和現場管理的難點，其維護需耗費大量的人力物力。屏蔽泵、磁力泵、軟管泵、隔膜泵等新型泵類具有利用靜密封代替動密封的特點，本質安全程度高，在精細化工項目設計中，應代替普通離心泵的應用。另外在氣體輸送領域，螺桿真空泵等干式真空泵、磁力驅動風機也已逐步實現國產化，可在項目設計中靈活采用，替代傳統設備。

5 提高自動化水平

傳統的精細化工企業具有“小、散、亂”的特點，生產作業主要通過現場人員手動操作實現，各種工藝參數控制主要靠操作人員干預，需要作業人員時刻保持專注，容錯率低，對操作人員的知識、技能、責任心、體力要求較高。事實上操作人員很難在工作時間時時刻刻保持專注，誤操作概率較高，單靠企業管理很難徹底解決事故風險中“人”的問題。

通過近些年的行業整合，安全水平差、管理不規范的小企業逐步退出，行業集中度增加，企業市場趨向穩定，利潤增加，具備了裝置升級換代的條件，加上國家不斷推進自動化改造，利用自動化減人、替人已成為行業共識，精細化工企業的自動化水平和安全水平不斷提高。

隨著技術發展和國內人口進入老齡化、人力資源趨緊，自動化、智能化是精細化工行業發展的趨勢，在精細化工項目設計中，需要采集數據、控制、操作的地方，應首選自動化，只有當目前的技術難以解決，或者自動化方案的投資令人難以接受，方可考慮人工操作。

6 連續化設計

連續化生產廣泛應用在國民生產各個部門，尤其在汽車制造業、半導體工業、食品制造業，最優秀的甚至可以實現“黑燈工廠”，代表了制造業的最高水平。在石油化工領域，連續化生產主要應用在煉油、煤及天然氣深加工、石化以及基礎化學品制造行業。

近年來，精細化工行業集中度增加，產品噸位不斷上升，企業市場和生產較為穩定，具備了連續化生產的可能性。精細化工的連續化生產具有操作穩定、工藝效率高、生產波動小、設備利用率高、人員需求少等特點，是自動化的進一步發展，是企業創新升級的方向，對提升精細化工項目的本質安全水平具有極大促進作用。

在精細化工項目的設計中，應從工藝研發開始，優先開發可連續反應的工藝，優選流態化輸送的物料；在設計過程中，可參照石化行業的工藝和思維方式，采用連續化反應裝備和連續化單元裝備，輔以必要的自動化檢測儀表、執行器和控制系統，完成連續化的生產過程。需要注意的是，精細化工的連續化生產具有特殊性，需在設計時考慮開停車狀況及操作，以及生產異常時的自動化或人員干預措施。

7 冗余系統設計

自動化、連續化水平的提高，減少了人員操作，提升了精細化工裝置的本質安全水平，但仍存在另一個問題，即各種檢測元件、控制單元、執行單元，或者安全附件仍存在故障或失效的可能，安全儀表系統通過可靠性驗證和系統的管理來保證故障率在可接受的范圍；但BPCS 回路和安全附件無法完全避免故障的產生。

在此前提下，可在HAZOP 分析的基礎上，在重點設備和高危工藝采用冗余的系統設計，例如采取雙液位、雙溫度、雙閥控制、雙BPCS 回路、雙安全閥、額外增加獨立保護層等設計，以進一步保證項目生產過程中的本質安全。

8 投資與效益

本質安全型的精細化工項目，屬于資金密集型項目。先進的技術、工藝和設備，以及大量的儀表、閥門和自動控制系統、昂貴的合金材料，都需要資金的大量投入。

即便短期投入較大，但從長遠來看，操作人員優化減少、維修更換費用降低、運行產出穩定，事故風險和停工費顯著降低，項目的綜合收益遠大于前期一次性投資，具有明顯的經濟效益。所以本質安全型的精細化工項目仍然是合算的，也是行業的發展目標。

9 結語

實現精細化工項目的本質安全設計是一個系統性的工程，需要從工藝開發入手，把握好設計的關鍵步驟，對工藝、設備、儀表、自控等方面全面升級，采用最先進的技術，最大化減少“人”的失誤造成的事故性后果，確保項目運行的安全水平，從而獲得長期的經濟效益。