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)定地進行。其中，工藝設計是整個化工裝置設計的主導，因此，化工企業(yè)應當高度重視工藝設計，在化工設計過程中有效實施安全管理，嚴格控制和監(jiān)督工藝設計，保證其符合相關標準及規(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)工藝設計的特征，進而探討化工企業(yè)工藝設計中如何有效實施安全管理，希望對提高化工安全設計水平有所幫助。

化工企業(yè)；工藝設計；安全管理

化工裝置設計是化工企業(yè)生產(chǎn)得以實施的前提，化工裝置設計的好壞直接關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，設備設施能否安全可靠，維修是否方便可行，建設投資回報是否符合預期?；ぱb置設計是以工藝設計為主導，并在總圖、土建、設備、自控、電氣、暖通等相關專業(yè)的密切配合下完成的，因此，工藝設計是所有專業(yè)設計的龍頭。

《GB13690-2009化學品分類和危險性公示通則》中綜合考慮物質(zhì)的物理化學性質(zhì)、火災爆炸危險程度等因素將常用危險化學品分為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，在化工裝置設計過程中應當高度重視化工工藝設計，切實有效的實施安全管理，嚴格遵循相關規(guī)范及標準，從安全角度來監(jiān)督和控制設備、自控、電氣等專業(yè)的設計，以提高工藝設計的應用價值，保證后續(xù)化工生產(chǎn)安全、有序地進行，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。在化工裝置的設計過程中，碰到制約裝置安全性設計的問題又常常一致，探討這些共性問題，解決設計過程中的安全隱患就顯得尤為重要。在設計過程中，我們經(jīng)常會碰到以下共性問題：

(1)化工設計基礎資料不完整。一般情況下，工藝設計的基礎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計基礎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。總體來講，最初的化工企業(yè)工藝設計具有設計基礎資料不完整的特征。

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

(3)設計結(jié)果因設計者的不同而有所區(qū)別。在設計時，會因設計者的能力、經(jīng)驗以及喜好的不同，會選用不同的設計方案，最終影響化工裝置的設計。裝置設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施的投入在總投資中的占比。

(4)化學反應安全性分析不透徹、設備材質(zhì)選型不當?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)合自身的化工設計經(jīng)驗提出以下措施:

(1)化工生產(chǎn)中所應用的原材料、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，就應當充分識別物質(zhì)的理化性質(zhì)、穩(wěn)定性、化學反應活性、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。當然，生產(chǎn)的經(jīng)濟性和先進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，應當盡可能緩和反應條件的苛刻程度，如利用適合的催化劑來緩解化學反應的劇烈程度；盡可能地運用成熟的、安全性高的設備、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)的基礎數(shù)據(jù)或者委托在該領域進行過相關研究的高校、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，是不能直接應用到產(chǎn)業(yè)化裝置的。如液相反應的小試實驗側(cè)重于研究反應機理、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)化應用時，有無攪拌對某些液相反應結(jié)果影響很大。因此，在小試實驗的基礎上搭設中試裝置進行放大生產(chǎn)，獲取中試裝置的完整數(shù)據(jù)后再進行產(chǎn)業(yè)化建設，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行復制，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計出符合實際生產(chǎn)的工藝流程，節(jié)省工藝設計時間。

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

(3)設計過程中，設計院應當根據(jù)化學原理以及相應的標準，并結(jié)合實際工況進行裝置設計，不能完全按照企業(yè)的意愿來含糊地設計出不合規(guī)的裝置；設計院應當充分考慮裝置的先進性及安全性，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)化學反應是整個產(chǎn)品生產(chǎn)的核心，一般通過反應才能得到所需的產(chǎn)物，同時反應也帶來了許多危險性因素。在化學反應過程中，反應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，使化學反應的速度加快，產(chǎn)生更多熱量，導致反應的失控，因此，企業(yè)應當根據(jù)反應機理控制合適的反應溫度、壓力，提高物系的傳熱傳質(zhì)效率，防止局部過熱，如在液相反應釜中設置攪拌，設置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等措施，防止反應系統(tǒng)失控。在設計過程中，應當進行危險與可操作性分析（HAZOP）和保護層分析（LOPA），并進行安全完整性等級評估（SIL），根據(jù)認定結(jié)果，如需設置獨立安全儀表系統(tǒng)（SIS）應當進行相應的設置，確保安全儀表功能設置合理，緩和不可避免災害的風險。

設備材質(zhì)的選擇是風險控制的基礎，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，甚至燃燒。因此，在選擇設備材質(zhì)時除了參考規(guī)范進行設計時，還要根據(jù)實際工況下進行掛片實驗，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計時進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)、設備材質(zhì)等方面的設計合理、規(guī)范、標準，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)工藝設計中強化安全管理具有較高的現(xiàn)實意義。