精细化工如何实现本质安全设计？浙江天正设计专家权威分享

精细化工如何实现本质安全设计？浙江天正设计专家权威分享

——2023中国应急展活动回顾（18 下）

 

11月15-17日，2023中国国际应急管理展览会在北京成功举办。2023中国应急展期间，11月17日，2023“一带一路”自然灾害防治和应急管理国际合作部长论坛安全生产分论坛同地举办。该论坛由全体大会、化工与油气田安全分会场、矿山安全分会场组成。

在化工与油气田安全分会场，来自应急管理部危险化学品安全监督管理一司、中国职业安全健康协会、中海油安全技术服务有限公司、浙江省天正设计工程有限公司、DEKRA德凯、必维集团、荷兰诺力昂等单位的专家，分享交流了化工安全“一防范三提升”、过程安全管理、本质安全设计、安全风险管理数字化、数智安全技术服务、检验检测认证等方面的新理念、新经验。

 

浙江省天正设计工程有限公司总工程师吴晓军讲《精细化工本质安全设计》  

吴晓军从精细化工的特点、主要风险点与本质安全设计等方面进行了交流分享。

 

 

精细化工本质安全设计

何谓“本质安全”？本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。具体包括失误—安全（误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作）、故障—安全功能（设备、工艺发生故障时还能暂时正常工作或自动转变安全状态）

政策导向

近年来发布的与本质安全有关的文件有：

《中共中央办公厅国务院办公厅印发〈关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见〉的通知》（厅字〔2020〕3号）；

《关于加强精细化工反应安全风险评估工作的指导意见》（安监总管三〔2017〕1 号）；

《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116 号）；

《关于加强化工过程安全管理的指导意见》（安监总管三〔2013〕88号）；

《危险化学品安全专项整治三年行动实施方案》；

《高危细分领域安全风险专项治理工作方案》；

《危险化学品生产建设项目安全风险防控指南（试行）》（应急〔2022〕52号）；

《关于印发2023年危险化学品安全监管工作要点和危险化学品企业装置设备带“病”运行安全专项整治等 9个工作方案的通知》（应急厅〔2023〕5号）。

……

这些政策文件对本质安全设计的要求是：

精细化工反应风险评估“清零”；

自动化控制装备改造“清零”；

涉及硝化、氯化、氟化、重氮化、过氧化工艺装置的上下游配套装置必须实现自动化控制。

一、破除盲点

1.物料性质

（1）物理危险性，16个类别；

理化特性：熔点、沸点、爆炸极限、毒性；

稳定性：分解热、起始分解温度、温升速率/压升速率、最大反应速率到达时间；

粉尘安全性：最小点火能、最小点火温度、爆炸严重度、爆炸下限、氧极限浓度；

火灾、爆炸危险性

（2）化学反应危险性

热危险性；

压力危险性；

毒物释放危险性。

重点关注纯物质、混合物、非预期混合物。

2.反应

反应机理：反应等级、反应速率、反应热等；

反应条件：温度、压力、原料、催化剂等；

反应产物：主反应、副反应、失控反应等；

反应时间：投料顺序、温度-时间控制等。

应结合操作过程，考虑各类偏差。

3.操作

正常工况与非正常工况；

辅助性操作，如清洗、干燥、排放等；

重点关注人工性操作；

充分考虑误操作，结合反应特性，评估风险。

应结合反应特征，充分考虑偏差。

 

二、减少操作——连续化

连续化反应是精细化工发展的目标；

反应连续化带动精制过程连续化，较容易实现自动化；

即使反应过程暂时不能实现，精制分离过程也要连续化；

大力提倡工艺开发阶段引入微通道、管式等连续化反应器，推动精细化工连续化工艺提升。

连续化工艺改进属于工程设计前端的工艺包阶段，牵涉较多的反应过程、反应条件及分离过程的调整，是一个系统性的工程。

如微通道反应器，可以适合多种反应，但是原来用反应釜的反应，直接改成微通道是很难实现的，首先就是产能的问题，微通道的产能需要快速反应才能体现出来，原有的反应条件多半不能适用。反应条件变了，比如温度提高了，反应速率是上升了，反应效果还能和以前一样吗？比如副反应、比如催化剂等等都需要调整。反应产物组成变化，后续的精制分离也要调整。

作为设计方，更应关注精制分离过程，如用连续化的精馏替代间歇蒸馏，连续化的萃取替代釜式静置萃取等，同样也能提升企业的连续化水平，提升本质安全等级。

 

二、减少操作——机械化

机械化减人；

机械化是模块化、自动化的基础；

机械化主要用于固体物料的输送、进出料和分离工序，可大大降低生产过程的人员风险和误操作风险。

精细化工生产中有较多的固体投料和固液分离等操作，目前大多是人工操作，采用合适的装备实现机械化，一方面可以减少工人的劳动强度，减少机械性伤害几率，也可以提升劳动生产率，还可以实现局部设备或模块的自动化或程序化。

 

二、减少操作——自动化智能化

自动化是国家重点关注的提升方向，也是实现精细化工行业控制水平提升的必由之路。

智能化是在机械化、自动化的基础上发展的，从设备、模块、工序逐步实现智能化，提高生产效率，降低消耗，促进安全和效益同步提升。

设计单位需要深入了解工艺包，对操作手册及控制指标清楚到位，深化细化HAZOP分析，针对生产过程（包括反应、投料、精制、分离、出料等）进行偏差分析，评估风险程度，完善设计。

收集生产涉及的各种物质及可能混合物的热风险数据；

HAZOP分析中要重点关注间歇操作的影响，如投料顺序变化可能带来何种影响，应如何调整设计规避风险；又如反应温度偏离可能造成的对后续分离过程的影响，是否要采取限制控制措施。

重点关注确保安全泄放系统的有效性

精细化工的反应、混合物的物性不全，导致安全泄放系统的设计可能发生偏差，所以要准确了解这些信息，确实难以获取的，要采用合理的替代分析方法，并加以充分的余量，来确保安全泄放系统的有效性。

 

例1：自动化设计

精细化工生产中间歇过程多，属于非标准的流程工业，大型化工企业常用的自动化控制手段并不能直接应用于精细化工生产。

如何破解间歇半间歇生产过程自动化控制难题？我们的思路是采用批处理（Batch）控制系统，在实现温度和压力自动化控制的基础上，增加顺控，模拟人工操作，实现进料、滴加、出料、过滤、干燥等步骤的按程序自动操作。控制系统模仿人工操作，加以机器学习不断优化迭代，提升精细化工间歇过程的控制水平。

在间歇生产过程中有较多的人工性操作，以往这些操作没有能够进行记录，整个生产的控制就缺少一部分关键的信息，采用使用带行程开关的手动阀，增加称重模块等手段，采集这些信息，纳入生产管理控制系统，提升安全生产水平。

 

例2：固体投料安全设计

固体投料是精细化工企业的一大难点，其风险较高，应采取适当的措施和设施，降低风险。

  装备提升：可选用大袋投料器，气流输送、料仓、管链输送、真空上料、手套箱的装备，提升投料的机械化和自动化程度，实施料和人员的隔离，缩短操作人员在危险岗位的工作时长，降低投料偏差的风险。

工艺调整：部分固体物料可溶解在危险程度较低的溶剂中，将固体投料从反应釜上转变到溶解罐中，降低投料风险。

投料区域隔离：对暂时难以实现机械化自动化投料的，采用防火防爆墙或楼板进行隔离，降低操作人员受伤害的风险，也可以降低投料误差的可能性。

全过程管理:增加物料从仓库到投料的全过程管理，对转移过程设置RFID或二维码保持信息多次确认，并可追溯。

防止黏壁:重点关注物料的遇湿潮解和高温熔化引起黏壁的问题，设置必要的清洗和防止黏壁措施。

 

例3:固液分离安全设计

例4:取样设计

例5:关注细节

旋转式切断阀在使用过程中关断时，阀芯处的化学品将随着其旋转而被迫封存在阀芯与阀体构成的密闭空间里，如果介质会发生、膨胀、气化、自分解反应等变化将导致部件超压，介质泄漏等安全风险 。

在旋转式开关阀芯上钻一定尺寸的孔洞，并且在安装时确保开关阀的关闭状态下其孔洞朝向利于压力释放一侧（一般选择上游或下游容器侧）。此时，当开关阀关闭时，阀芯处的空间与孔洞朝向一侧联通，从而打破了原有的密闭空间，避免了阀芯因化学分解超压破裂造成的一系列严重后果。

 

工程案例——浙江医药VE前体生产

浙江省天正设计工程有限公司设计的浙江医药VE前体生产项目，较好地实现了前面提到的本质安全总方向。该工程涉及4步反应、精馏、萃取等工序，通过本质安全设计实现了现场无操作人员。

本质安全设计，更准确的来说应该是本质更安全设计，应不断提高风险防范意识和风险分析能力，细致研究精细化工生产中的各类偏差，在设计中持续提高工艺连续化、自动化、智能化水平，履行设计单位的安全职责，保障生产的安全稳定运行。

（未完待续）