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化工安全工程概论(第二版)第一章绪论第一节化学工业发展与对安全的新要求一、化学工业发展概况现代化学工业始于18世纪的法国,随后传入英国。19世纪,以煤为基础原料的有机化学工业在德国迅速发展起来。但那时的煤化学工业按其规模并不十分巨大,主要着眼于各种化学产品的开发。所以当时化工过程开发主要是由工业化学家率领,机械工程师参加进行的。技术人员的专业也是按其从事的产品生产分类的,如染料、化肥、炸药等。直到19世纪末,化学工业萌芽阶段的工程问题,都是采用化学(家)加机械(工程师)的方式解决的。现代化学工业的发展时期是在美国开始的。19世纪末20世纪初,石油的开采和大规模石油炼厂的兴建为石油化学工业的发展和化学工程技术的产生奠定了基础。与以煤为基础原料的煤化学工业相比,炼油业的化学背景不那么复杂多样化,因此有可能也有必要进行工业过程本身的研究,以适应大规模生产的需要。这就是在美国产生以“单元操作”为主要标志的现代化学工业的背景。1888年,美国麻省理工学院开设了世界上最早的化学工程专业,接着,宾夕法尼亚大学、土伦大学和密执安大学也先后设置了化学工程专业。这个时期化学工程教育的基本内容是工业化学和机械工程。1915年12月麻省理工学院一个委员会的委员A.D.Little首次正式提出了单元操作的概念。20世纪20年代石油化学工业的崛起推动了各种单元操作的研究。由于单元操作的发展,20世纪30年代以后,化学机械从纯机械时代进入以单元操作为基础的化工机械时期。40年代,因战争需要,三项重大开发同时在美国出现。这三项重大开发是,流化床催化裂化制取高级航空燃料油、丁苯橡胶的乳液聚合以及制造首批原子弹的曼哈顿工程。前两者是用30年代逐级放大的方法完成的,放大比例一般不超过50∶1。但是曼哈顿工程由于时间紧迫和放射性的危害,必须采用较高的放大比例,达1000∶1或更高一些。这就要求依靠更加坚实的理论基础,以更加严谨的数学形式表达单元操作的理论。曼哈顿工程的成功大大促进了单元操作在化学工业中的应用。20世纪50年代中期提出了传递过程原理,把化学工业中的单元操作进一步解析为三种基本操作过程,即动量传递、热量传递和质量传递以及三者之间的联系。同时在反应过程中把化学反应与上述三种传递过程一并研究,用数学模型描述过程。连同电子计算机的应用以及化工系统工程学的兴起,使得化学工业发展进入更加理性、更加科学化的时期。20世纪60年代初,新型高效催化剂的发明,新型高级装置材料的出现,以及大型离心压缩机的研究成功,开始了化工装置大型化的进程,把化学工业推向一个新的高度。此后,化学工业过程开发周期已能缩短至4~5年,放大倍数达500~20000倍。化学工业过程开发是指把化学实验室的研究结果转变为工业化生产的全过程。它包括实验室研究、模试、中试、设计、技术经济评价和试生产等许多内容。过程开发的核心内容是放大。由于化学工程基础研究的进展和放大经验的积累,特别是化学反应工程理论的迅速发展,使得过程开发能够按照科学的方法进行。中间试验不再是盲目地、逐级地,而是有目的地进行。化学工业过程开发的一个重要进展是,可以用电子计算机进行数学模拟放大。中间试验不再像过去那样只是收集或产生关联数据的场所,而是检验数学模型和设计计算结果的场所。现代化学工业过程开发可以概括为:①利用现有的情报资料、技术数据、同类过程的成熟经验、小试或模试的实验结果和化学化工知识,把化学工业过程抽象为理论模型;②进行工业装置的概念设计,并根据概念设计相似缩小为中试装置;③比较电子计算机的数学模拟和中试结果,反复比较,不断修正数学模型,使其达到一定精度,用于放大设计。目前化学工业开发的趋势是,不一定进行全流程的中间试验,对一些非关键设备和很有把握的过程不必试验,有些则可以用计算机在线模拟和控制来代替。二、化学工业发展伴生的新危险进入20世纪后,化学工业迅速发展,环境污染和重大工业事故相继发生。三、化学工业发展对安全的新要求化工装置大型化,在基建投资和经济效益方面的优势是无可争辩的。但是,大型化是把各种生产过程有机地联合在一起,输入输出都是在管道中进行。许多装置互相连接,形成一条很长的生产线。规模巨大、结构复杂,不再有独立运转的装置,装置间互相作用、互相制约。这样就存在许多薄弱环节,使系统变得比较脆弱。为了确保生产装置的正常运转并达到规定目标的产品,装置的可靠性研究变得越来越重要。所谓可靠性是指系统设备、元件在规定的条件下和预定的时间内完成规定功能的概率。可靠性研究用的较多的是概率统计方法。化工装置可靠性研究需要完善数学工具,建立化工装置和生产的模拟系统。概率与数理统计方法以及系统工程学方法将更多地渗入化工安全研究领域。第二节化学工业的危险与安全化学工业初期只是伴有化学反应的工艺制造过程,进而包括以过程产品为原料的工业。化学工业随着技术的进步和市场的扩大迅速发展起来,目前已占整个制造业的40%以上。在化工生产中,从原料、中间体到成品,大都具有易燃、易爆、毒性等化学危险性;化工工艺过程复杂多样化,高温、高压、深冷等不安全的因素很多。事故的多发性和严重性是化学工业独有的特点。一、化学工业危险因素1.工厂选址①易遭受地震、洪水、暴风雨等自然灾害;②水源不充足;③缺少公共消防设施的支援;④有高湿度、温度变化显著等气候问题;⑤受邻近危险性大的工业装置影响;⑥邻近公路、铁路、机场等运输设施;⑦在紧急状态下难以把人和车辆疏散至安全地。2.工厂布局①工艺设备和贮存设备过于密集;②有显著危险性和无危险性的工艺装置间的安全距离不够;③昂贵设备过于集中;④对不能替换的装置没有有效的防护;⑤锅炉、加热器等火源与可燃物工艺装置之间距离太小;⑥有地形障碍。3.结构①支撑物、门、墙等不是防火结构;②电气设备无防护措施;③防爆通风换气能力不足;④控制和管理的指示装置无防护措施;⑤装置基础薄弱。4.对加工物质的危险性认识不足①在装置中原料混合,在催化剂作用下自然分解;②对处理的气体、粉尘等在其工艺条件下的爆炸范围不明确;③没有充分掌握因误操作、控制不良而使工艺过程处于不正常状态时的物料和产品的详细情况。5.化工工艺①没有足够的有关化学反应的动力学数据;②对有危险的副反应认识不足;③没有根据热力学研究确定爆炸能量;④对工艺异常情况检测不够。6.物料输送①各种单元操作时对物料流动不能进行良好控制;②产品的标示不完全;③风送装置内的粉尘爆炸;④废气、废水和废渣的处理;⑤装置内的装卸设施。7.误操作①忽略关于运转和维修的操作教育;②没有充分发挥管理人员的监督作用;③开车、停车计划不适当;④缺乏紧急停车的操作训练;⑤没有建立操作人员和安全人员之间的协作体制。8.设备缺陷①因选材不当而引起装置腐蚀、损坏;②设备不完善,如缺少可靠的控制仪表等;③材料的疲劳;④对金属材料没有进行充分的无损探伤检查或没有经过专家验收;⑤结构上有缺陷,如不能停车而无法定期检查或进行预防维修;⑥设备在超过设计极限的工艺条件下运行;⑦对运转中存在的问题或不完善的防灾措施没有及时改进;⑧没有连续记录温度、压力、开停车情况及中间罐和受压罐内的压力变动。9.防灾计划不充分①没有得到管理部门的大力支持;②责任分工不明确;③装置运行异常或故障仅由安全部门负责,只是单线起作用;④没有预防事故的计划,或即使有也很差;⑤遇有紧急情况未采取得力措施;⑥没有实行由管理部门和生产部门共同进行的定期安全检查;⑦没有对生产负责人和技术人员进行安全生产的继续教育和必要的防灾培训。瑞士再保险公司统计了化学工业和石油工业的102起事故案例,分析了上述九类危险因素所起的作用,表1-1为统计结果。表1-1化学工业和石油工业的危险因素类别危险因素危险因素的比例/%化学工业石油工业1工厂选址问题3.57.02工厂布局问题2.012.03结构问题3.014.04对加工物质的危险性认识不足20.22.05化工工艺问题10.63.0表1-1化学工业和石油工业的危险因素6物料输送问题4.44.07误操作问题17.210.08设备缺陷问题31.146.09防灾计划不充分8.02.0二、化工装置紧急状态对于化工装置的紧急状态可以划分为以下五个等级:①运转失灵,是指运转发生紊乱,只要更换备用设施,就可在尚未发生故障或事故之前恢复正常运转;②故障,是指设备需要停车检修,但又未发生其他损坏的状态;③异常,是指对工艺过程需要采取一定措施,否则就有可能发生事故;④事故,是指设备损坏、生产中止或火灾、爆炸、毒物泄漏、人员伤亡。对此必须采取紧急措施。事故状态没有扩展;⑤灾害,指不但发生了事故,而且事故状态扩展,对外界造成威胁。需要采取紧急措施,并求得外部支援。三、化学工业安全措施1.设备安全确定设备的安全性,需要考虑以下因素:①是否按照相应的安全标准、规范进行设计;②是否按照设计说明书正确进行制造;③是否有适当的安全防护装置;④维护、检查的程序是否完善。2.物料加工和操作安全应该建立原料、中间体、产物和副产物的完整的物性数据档案。根据《第170号国际公约》及1997年我国施行的《工作场所安全使用化学品规定》,属于危险化学品的物料,可向供应商或制造商索取该物料的《化学品安全技术说明书》。对各种物质的状态,如闪点、沸点、熔点、爆炸极限、燃点等性质数据,以及操作、贮运、应急处置等,都应该有清晰地了解。对物质性质所伴生的危险和可能造成的损失或损害,以及相应的对策应进行分析和说明,达到防患于未然的目的。对于操作程序,可分为有化学反应的和无化学反应的两种类型。所谓“有化学反应的”是指在设备中进行聚合、缩合、热裂解、催化裂化、氧化、脱氢、加氢、烷基化等化学反应。而“无化学反应的”则是指混合、溶解、清洗、蒸馏、萃取、吸收、精制、分离、机械加工等不进行化学反应的单元操作。当然,对可能发生的误操作,以及一旦发生所造成的后果,应分门别类地进行分析和评价。特别是对可能造成重大损失或损害的操作要格外注意。3.装置布局安全化工装置的布局和排列,对于绝大多数操作都应该是最有效的,而且安全问题也必须放在同等重要的地位。对于大量处理可燃液体的石油和化工企业,装置布局和设备间距应该注意以下几点:①需要留有足够的空地以把工艺单元可能的火灾控制在最小范围;②对于极为重要的单系列装置,要保留足够的空间,或用其他方法进行防护;③危险性极大的区域应该与其他部分保持足够的安全距离;④装置事故不能直接影响水、电、气(汽)等公用工程设施;⑤因各种原因有可能使装置界区内浸水时,应该设置防水设备;⑥应该特别注意公路、铁路在装置附近的情况;⑦对于道路的设置,应该注意在发生事故时能较方便地接近装置;⑧在装置的边界和出入口,应该安装监视设施。第三节化工安全理论和技术的发展动向一、化工危险性评价和安全工程概述1.经验系统化方法该类方法是通过以往的事故经验把评价对象的危险性辨识出来。(1)安全检查表法把评价对象划分为子系统,如厂区选址、公用工程、工艺流程、设备配置、安全装置、人机工程、消防设施等,根据过去的经验,找出危险性所在并附以有关的规范要求,按序编制成表,在设计和生产中系统检查时应用。(2)危险性预先分析法在每一项工程活动之前,特别是在设计开始阶段,就对系统中的危险性类别、存在的条件、导致事故的后果,进行概略的分析,搞清楚潜在的危险性,以避免采用不安全的工艺技术路线、危险性高的原材料和设备等。如果必须采用时,也要考虑必要的安全措施,使危险性不至于发展成为事故。(3)Dow化学公司法美国Dow化学公司根据工厂所用原料的物性及其危险性,结合加工工艺的一般和特殊危险性,换算成爆炸指数,然后按指数大小确定危险等级,并据此确定在建筑结构、消防设施、电器仪表、控制方法等方面的要求。目前广泛采用的是该公司《火灾、爆炸危险性指数评价方法》第七版。2.系统解剖分析法当开发化学工业新工艺,新建或改建装置时,对其中的危险性还没有足够的认识,这时需要对系统进行解剖,研究各个组成部分的作用及其发生故障时对系统的影响。英国帝国化学公司(ICI)开发的危险性可操作研究方法采用的就是系统解剖的方法。其主要内容是对危险性进行严格检查,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