化工過程單元操作的安全隱患分析與風險防控

杜 占

（應急管理部信息研究院，北京 100029）

我國是化工大國，化工產業在國民經濟中處于基礎性、支柱性地位，約占國內生產總值的12%。化工產業既關乎國計民生、經濟發展和社會就業，也與產業鏈下游的電子信息、新材料、新能源等戰略性新興產業發展密切相關。因此，發展化工產業對新時代社會主義經濟建設意義重大。然而，近年來，在我國化工產業高速發展中，安全事故頻發，不僅給人民群眾的生命財產帶來了巨大的損失，也造成了一定的社會恐慌，阻礙了化工產業的發展[1-4]。

本文詳細分析了單元操作過程存在的安全隱患，并在此基礎上提出了有效的防控措施。

1 基于“三傳”單元操作的安全隱患分析

化工生產過程中，化學反應是核心，但從設備數量和操作步驟方面看，其所占比重一般遠少于單元操作。單元操作屬于物理性操作，包括原料的預處理過程和反應產物的后處理過程，過程中的物質只發生狀態變化，化學性質不發生改變。單元操作是化工過程的共有操作，不同化工生產過程包含的單元操作數量不同，組合排列也不同，但進行相同操作的設備和原理往往是一樣的，其危險特性也大致相同。

1.1 動量傳遞類單元操作的安全隱患分析

動量傳遞類的單元操作主要包括流體輸送、攪拌、流體通過顆粒層的流動等三大類。流體輸送包括氣力輸送和液體物料輸送。氣力輸送主要指利用真空泵或風機產生的氣流動力實現粉狀物料輸送，氣力輸送系統除設備本身因故障損壞外，最大的安全問題是系統的堵塞和靜電引起的粉塵爆炸；液體物料的輸送主要依靠泵來完成，常見的泵可分為離心泵、往復泵、旋轉泵（齒輪泵、螺桿泵）、流體作用泵等4類，而化工生產過程中使用的泵約有80%為離心泵，離心泵在使用過程中可能發生物料泄漏、吸入空氣爆炸、靜電或軸承過熱引起燃燒、機械絞傷等安全事故。攪拌裝置有機械攪拌和氣流攪拌。機械攪拌裝置包括槳式攪拌器、螺旋槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、特種攪拌器；氣流攪拌裝置是指利用壓縮空氣、蒸汽和氮氣通入液體介質中進行鼓泡，達到攪拌的目的，易燃液態物料在攪拌過程中蒸發速度較快，產生大量可燃蒸汽，如果泄漏，將與空氣形成爆炸性混合物，易燃粉狀物料在攪拌過程中極易造成粉塵漂浮而導致粉塵爆炸。流體通過顆粒層的流動主要指過濾過程，即在推動力作用下，使懸浮液（或含固體顆粒熱氣體）中的液體（或氣體）透過介質，固體顆粒及其物質被具有許多孔隙的過濾介質截留，從而使固體及其他物質與液體（或氣體）分離的單元操作，常用的液固分離設備有板框壓濾機、轉筒真空過濾機、圓形濾葉加壓葉濾機、三足式離心機、刮刀卸料離心機、旋液分離器等，常用的氣固過濾設備有降塵室、袋濾器、旋風分離器等。過濾的主要危險源于物料的危險特性，懸浮液中有機溶劑的易燃易爆特性或揮發性氣體的毒害性或爆炸性、以及過氧化物濾餅的不穩定性等。

1.2 熱量傳遞類單元操作的安全隱患分析

熱量傳遞類的單元操作主要包括換熱和蒸發兩大類。換熱是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的過程，傳遞介質稱為換熱介質，所用設備稱為換熱器，化工生產中常見的換熱器有加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，一般有浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U 形管板換熱器、板式換熱器等多種結構，換熱器的安全問題源于設備堵塞和腐蝕，如果換熱器結垢堵塞或者腐蝕損壞，將引起原料和換熱介質泄漏，導致燃燒、爆炸等安全事故。蒸發按其采用的壓力可分為常壓蒸發、加壓蒸發和減壓蒸發（真空蒸發），蒸發所用設備稱為蒸發器，主要由加熱室和蒸發室兩部分組成，影響蒸發過程的主要因素有蒸發物固有性質、溫度、相間接觸面積和相界面氣相流速，溫度越高、相間接觸面積越大、相界面氣相流速越高，蒸發速度越快，蒸發操作的安全問題源于蒸發溫度的控制，如果蒸發溫度控制不當，將引起蒸發物分解或者蒸發器局部過熱，導致燃燒、爆炸等安全事故。

1.3 質量傳遞類單元操作的安全隱患分析

質量傳遞類的單元操作主要包括吸收、精餾、萃取、結晶等四大類。氣體吸收是利用氣體混合物各組分在液體溶劑中溶解度的差異來分離氣體混合物的單位操作，其逆過程是解吸，影響吸收操作的主要因素有吸收劑純度、氣流速度、噴淋密度、溫度、壓力，吸收中的溶解熱會造成吸收操作溫度的變化，因此吸收操作的關鍵在于正確使用各種冷卻裝置來控制吸收塔溫度，吸收過程存在的安全問題實質是換熱過程存在的安全問題。精餾是以液體混合物各組分揮發度的不同，使其分離為純組分的操作，精餾按操作壓強可分為常壓精餾、加壓精餾和減壓精餾（真空精餾），精餾過程的主要危險性有易燃液體蒸汽與空氣形成爆炸性混合物，遇明火即發生爆炸；塔釜復雜的殘留物在高溫下發生熱分解、自聚及自燃；物料中微量的不穩定雜質在塔內局部濃縮分解爆炸，低沸點雜質進入精餾塔后瞬間產生大量蒸汽造成設備壓力驟升而發生爆炸；設備因腐蝕泄漏引發火災，因物料結垢堵塞發生超壓爆炸；精餾溫度控制不當，有液泛、沖料、過熱分解、超壓、自燃及淹塔的危險；加料量控制不當，有沸溢的危險，同時造成塔頂冷凝器負荷不足，使未冷凝的蒸汽進入產品儲槽，因超壓發生爆炸；回流量控制不當，造成精餾溫度偏離正常，同時出現淹塔使得操作失控，造成出口堵塞發生爆炸。萃取是指在待分離的液體混合物中加入一種適宜的溶劑，使其形成兩液相系統，利用液體混合物中各組分在兩相中分配差異的性質，易溶組分較多的進入溶劑相從而實現混合液的分離，萃取操作的安全關鍵是萃取劑的選擇，萃取劑需有良好的化學穩定性，避免使用過程中分解、聚合腐蝕設備，并產生熱效應導致燃燒爆炸等事故。結晶是固體物質以晶體狀態從蒸汽、溶液或熔融物中析出的過程，結晶設備一般按改變溶液濃度的方法分為移除部分溶劑（凝縮）結晶器、不移除部分溶劑（冷卻）結晶器或其他結晶器，結晶設備通常裝有攪拌器，攪拌作用會使晶體顆粒保持懸浮和均勻分布于溶液中，同時又能提高溶質質點的擴散速度，以加速晶體的長大，結晶操作的安全問題源于攪拌器，如果攪拌器是絕緣體或接地不良，則可能產生靜電危險，導致火災爆炸等安全事故，攪拌器應定期維修，嚴防攪拌器斷落導致物料混合不均勻，局部反應劇烈，引發爆炸；攪拌器應有足夠的機械強度和靈活性，防止變形或卡死引發火災。

上述關于基于“三傳”單元操作的安全隱患分析，明確了化學化工過程中可能存在的風險點、危險源，為進一步實施有效的風險防控指明了方向。

2 基于“三傳”單元操作的風險防控

單元操作主要是物理過程，需要嚴格按照工藝設計進行操作，與化學反應過程類似，也需要配置常規自動控制系統，對主要工藝參數進行集中監控及自動調節（DCS 或PLC）；要設置偏離正常值的報警和聯鎖控制，設置爆破片和安全閥等泄放設施，設置緊急切斷、緊急終止反應、緊急冷卻等控制措施。設備要有足夠的機械強度和耐腐蝕能力并運行可靠，同時需要定期維護、檢修。

3 結束語

我國一直是危險化學品生產、使用、進出口和消費大國。目前，我國危化品安全生產工作問題日益凸顯，由于設備老化等原因，安全風險加大。隨著城鎮化進程加快，“化工圍城”、“城圍化工”的矛盾日益顯現，危化品生產一旦發生事故，對周邊居民的危害性和影響性極大。為此，本文從基于“三傳”單元操作入手，詳細分析了化學化工過程存在的安全隱患，并在此基礎上提出了有效的防控措施，為化工園區的安全運行提供一定的理論指導。