（安全技术及工程专业论文）化工反应装置危险性分析技术研究.pdf

东北大学硕士学住论文 a b s t r a c t r i s ka n a l y s i st e c h n i q u ef o rc h e m i c a l r e a c t i o nd e v i c e s a b s t r a c t c h e m i c a lr e a c t i o nd e v i c e sa r ct h ec o r eo ft h e m i c a ip r o d u c t i o n t h ep r o d u c t i o no f h u n d r e d sa n dt h o u s a n d so fk i n d so fc h e m i c a lp r o d u c t sh a v ep r o v i d e dp l e n t yo fr a w m a t e r i a l sf o rm a n yu n i f i e di n d u s t r i e s ，i m p r o v e dt h el e v e lo fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d b o t hi nm a t e r i a la n dc u l t u r el i f e a sar e s u l t ，c i v i l i z a t i o na n dp r o g r e s si ns o c i e t yh a v e b e e np r o m o t e d h o w e v e r , ag r e a ta m o u n to fu n s a f ef a c t o r se x i s t d u r i n gc h e m i e a p r o c e s sp r o d u c t i o n m o s to fs u b s t a n c e su s e dh a v ed a n g e r o u sc h a r a c t e r i s t i c sw h i c ha r e h i 曲l yf l a m m a b l e ，e x p l o s i v ea n dc o r r o s i v e 。a d d i t i o n a l l y , s o m ec h e m i c a lr e a c t i o n so f t e n t a k ep l a c e su n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s as l i g h td e v i a t i o nf r o m n o r m a lo p e r a t i o n c o n d i t i o n sc o u l dc a u s es e v e r ea c c i d e n t s ，s u c ha sf i r e ，e x p l o s i o n ，l e a k a g eo fp o i s o n o u s s u b s t a n c ea n ds of o m l w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h e m i c a la n dp e t r o c h e m i c a l i n d u s t r i e si no i l l c o u n t r y , s o m eb i ga c c i d e n t so c c u r r e di nd i f f e r e n tp l a c e sa n dd i f f e r e n t t y p e so fc h e m i c a lp l a n t s ，t h e r e f o r e ，i t si n s i g n i f i c a n t l yn e c e s s a r yt oa n a l y z et h er i s ko f c h e m i c a lr e a c t i o nd e v i c e si no r d e rt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st oa v o i do rr e d u c et h e o c c u r r e n c e so f a c c i d e n t s ，a n dr a i s ei n h e r e n ts a f e t yo f t h ep r o d u c t i o nd e v i c e sa l s o b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no nv a r i o u sk i n d so fr i s ka n a l y s i sm e t h o d sf o rc h e m i c a l r e a c t i o nd e v i c e sd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d ，a n dc o n s i d e r i n go ft h ef e a t u r e so fc h e m i c a l o p e r a t i o n s ，o n es y n t h e t i cr i s ka n a l y s i st e c h n i q u ef o rc h e m i c a lr e a c t i o nd e v i c e si sp u t f o r w a r di nt h i st h e s i s a tf i r s t ，p r i m a r yk e yu n i t sf o rt h ea n a l y s i sa r ed e c i d e db yd o w s f & e li n d e x a f t e rr i s ki d e n t i f i c a t i o nw i t l l i ne h e m i c a ir e a c t i o nd e v i c e s f u r t h e r m o r er i s k a n a l y s i so f t h ek e yu n i t ss e l e c t e da b o v ei sa n a l y z e di nd e t a i lq u a l i t a t i v e l y 、i t l ih a z o p a n df m e a r e s p e c t i v e l ys oa st oo b t a i nk e yr i s kp o i n t sf o ra c c i d e n t sm i t i g a t i o na n dl o s s p r e v e n t i o n f i n a l l y , t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sf o rr u n a w a yr e a c t i o n si nt h ec h e m i c a l r e a c t i o nd e v i c ea r ec o m p u t e dq u a n t i t a t i v e l yf o l l o w e db ya n a l y z i n gt h ek e yr e a c t i o n u n i t si nt e r m so f p r o c e s ss a f e t y 1 1 1 ea n a l y s i st e c h n i q u ee s t a b l i s h e da b o v ei st h e na p p l i e dt oc h l o r o e t h y l e n e s y n t h e s i sd e v i c e t h eo b t a i n e dr e s u l t ss h o wt h a tt h et e c h n i q u ei se f f e c t i v ea n df e a s i b l e ， a n dl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yr e s u l t i n gi ng r e a tt h e o r e t i cv a l u e sa n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s k e y w o r d s ：r i s ka n a l y s i st e c h n i q u e ，s y s t e ms a f e t y , p r o c e s ss a f e t y , r u n a w a yr e a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：查略 日期： 口，。、7 、lf 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：杏畅 日期：口j 、7 t ，7 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 化工行业是国民经济的基础产业之一，化工产品在医药卫生、农业、服装、 建筑、运输等各个方面都发挥了巨大作用，与人民的生活休戚相关。然而，化工 行业在迅速发展的同时，也给人类带来了许多重大的安全问题。自2 0 世纪6 0 年 代以来，随着化工和石油化工行业在世界的迅猛发展，化工反应装置灾害性爆炸 事故、火灾事故、大范围人群中毒事故等重大恶性事故频繁发生，造成了严重的 人员伤亡和财产损失，产生了恶劣的社会影响。因此，化工反应装置的安全问题 已经受到世界各国的广泛关注。 1 9 6 1 年9 月1 4 日，日本宫田市一家化工厂因管道破裂，氯气外泄，使九干余 人受害，5 3 2 人中毒，大片农田被毁：1 9 7 4 年，英国f l i b o r o u g h 地区化工厂己内 酰胺原料环己烷泄漏发生蒸汽云爆炸；1 9 8 4 年印度博帕尔市一农药厂反应失控造 成储罐破裂，4 5t 异氰酸甲酯泄漏，致使3 1 5 0 人死亡，5 万多人失明，2 万多人 受到严重毒害，1 5 万人接受治疗，成为震惊世界韵灾难 ”。1 9 6 0 年到1 9 7 7 年的1 8 年间，美国和西欧发生重大火灾和爆炸事故3 6 0 余起，死伤1 9 7 9 人，损失数十亿 美元。我国化学工业事故也是频繁发生。1 9 9 7 年，我国j 8 方某化工厂储运分厂发 生“6 2 7 ”特大火灾爆炸事故，9 人死亡、3 9 人受伤，直接经济损失达1 7 1 亿元。 从1 9 5 0 年到1 9 9 9 年的5 0 年间，我国发生各类伤亡事故2 3 4 2 5 起，死亡2 5 7 1 4 人， 其中因火灾和爆炸死亡4 0 4 3 人。 为此，国际社会于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年相继通过化学制品公约、预防重大 工业事故公约等，敦促各国采取对策。美国、日本及欧共体许多国家先后投入 大量人力物力财力，开展灾害预防控制技术及相关基础理论研究。我国政府也不 例外。“隐患险于明火，防范重于救灾，责任重于泰山。”开展化工反应装置危险 性分析与防治技术基础研究已经成为现代化工和石油化工行业安全、平稳运行的 当务之急，也是化学工程和安全技术及工程学科领域相互交叉的前沿攻关课题。 1 1 1 化工反应装置的特点 化工反应装鼍是指为实现特定工艺性能所设计或选定的、并能将各种不同性 能的众多部分( 生产设备) 有机结合而成的整体( 系统) 。化工反应装置具有如下几 个特点2 捌： ( 1 ) 在生产中使用的原料、半成品和成品，绝大部分是易燃、易爆、有毒有害、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 腐蚀性的化学物质； ( 2 ) 化工生产广泛采用高温、高压、深冷、真空等工艺，对工艺条件以及工艺 参数的要求比较苛刻。工艺参数的偏离可能引起反应方向的偏离或反应失控现象； ( 3 ) 化工反应装置生产的连续化、操作的集中化以及全流程的自动控制，省掉 了中间的储存环节，生产的弹性大大减弱。生产线上每一环节的故障都会对全局 产生重大影响； ( 4 ) 随着现代科学技术的发展，化工企业越来越趋近于生产规模大型化、装置 大型化。化工反应装置的大型化，使得大量化学物质都处于工艺过程或储存状态， 一旦外泄就会造成重大事故，给生命和财产带来巨大灾难； ( 5 ) 目前的化工生产己由原先的敞开式变为密闭式，一切加工过程都在密闭的 管、泵、罐中。其内部状况难以直接观察。整个生产情况都要根据由传感器、变 送器输送到控制中心的仪器仪表上的各种压力、流量、温度信号来反映，这就对 操作、监测提出了更高的要求； ( 6 ) 新材料的合成、新工艺和新技术的采用，可能会带来新的危险性。 1 1 2 化工反应装置事故的主要特点 化工生产过程的特点决定了化工反应装置事故具有如下特点： ( 1 ) 火灾、爆炸、中毒事故多且后果严重 化工反应装置生产中使用的原料及产品、半成品大多具有易燃易爆、高温高 压的特性，在生产过程中容易出现危险化学品泄漏的现象，泄漏的可燃气体或蒸 气与空气混合，极易发生火灾、爆炸事故。石油化工反应装置发生火灾后，受热 的容器设备易出现物理爆炸或化学爆炸。爆炸和燃烧经常相互俘随，有先爆炸后 燃烧，也有先燃烧后爆炸。无论哪种爆炸都会使建筑结构倒塌，人员伤亡，管线 设备移位破裂，燃料喷洒流淌。 同时，化工生产中使用的多数化学物品对人体有害。生产中由于设备密封不 严，特别是在间歇操作的情况下，泄漏很多，容易造成操作人员的急性和慢性中 毒。据化工部门的统计。因一氧化碳、硫化氢、氮气、氮氧化物、氨、苯、二氧 化碳、二氧化硫、光气、氯化钡、氯气、甲烷、氯乙烯、磷、苯酚、砷化物等1 6 种物质造成中毒、窒息的死亡人数占中毒死亡总人数的8 7 9 ，而这些物质在一般 化工厂中都是常见的。 ( 2 ) 化工反应装置生产过程中事故的诱发因素较多 1 ) 化工生产中有许多副反应发生，有些机理尚不完全清楚；有些生产是在危 险边缘，如爆炸极限附近进行生产的，如乙烯制环氧乙烷、甲醇氧化制甲醛等， 2 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 生产条件稍一波动就会发生严重事故。 2 ) 影响化工工艺各类参数的干扰因素很多，设定的参数很容易发生发生偏移， 而参数的偏移是事故的根源之一，即使是在自动调节的过程也会产生失调或失控 现象，人工调节更易发生事故。 3 ) 由于人韵素质和人机工程设计欠佳，往往会造成误操作，如看错仪表、开 错阀门等，特别是现代化的生产中，人是通过控制台进行操作的发生误操作的 机会多。 ( 3 ) 事故的损失大 化工反应装置生产的大型化，使得各种反应器、塔、槽、管线布置密集，一 旦发生事故，石油化工反应装置事故造成的直接经济损失和停工及恢复生产的间 接经济损失比较高。同时由于化工反应装置易发生火灾、爆炸、中毒事故，因此 常造成较大的生命财产损失。 1 2 本文研究的意义 综上，在经济高速发展的今天，化工反应装置的安全运行已经成为关系国计 民生的重大问题。对化工反应装置的危险性分析进行分析，不仅可以为反应装置 的安全运行提供保障也可以为新装置的设计和有效安全投入提供理论依据，具 有重要的现实意义和长远意义，概括起来主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 为化工反应装置的安全运行提供依据 通过对化工反应装置的危险性进行分析，辨识系统中潜在的危险源，找出危 险源可能发生的事故型式，以及这些可能事故的影响范围和造成的后果严重程度， 从而提出化工反应装置危险性的控制措施，可以使企业及时了解化工反应装置的 安全生产状况为企业化工反应装置的安全运行提供依据，虬减少或控制化工反 应装置事故的发生。 f 2 ) 为装置的安全设计提供依据 通过辨识装置的危险性，分析工艺过程及设备的危险性，可以及时发现工艺 过程及设备的缺陷，为工艺装置的设计提供依据。 ( 3 】为人们认识新工艺的危险性提供依据 近年来，随着科学技术的发展，新技术、新工艺的更新越来越快，已由过去 的几十年变为几年。新工艺、新技术的采用，会带来新的危险。由于人们对新工 艺新技术的认识有限，增加了工艺装置运行中的不安全因素。通过对化工反应装 置危险性分析方法的研究可以较全面地认识颓工艺的危险性，从而有效地控制 置危险性分析方法的研究可以较全面地认识新工艺的危险性，从而有效地控制 其危险性。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 化工反应装置危险性的研究现状 化工反应装置的安全运行是化工企业安全生产的关键环节。对化工反应装置 的危险性分析技术进行研究，研究消除危险性或者对危险性加以限制的方法，对 于保证化工反应装置的安全运行具有重要的现实意义。目前国内外对化工反应装 置的危险性研究主要采用系统安全分析和化工工艺过程危险性分析的方法。 1 3 1 系统安全分析研究现状 化工系统危险性的研究是伴随着系统安全工程的发展而发展起来的。系统安 全分折是从安全的角度进行的系统分析，通过揭示系统中可能导致系统故障或事 故的各种因素及其相互关联来辨识系统中的危险源。目前国内外化工系统应用较 多的系统安全分析方法主要有f 4 1 , ( 4 5 1 ： ( 1 ) 危险性和可操作性研究( 姒z o p ) 危险性和可操作性研究方法是英国帝国化学工业公司( i c i ) 于1 9 7 4 年针对化 工装置而开发的一种危险性分析方法。危险性可操作性研究的基本过程是以关键 词为引导，找出系统中工艺过程或状态的变化( 即偏差) ，然后再继续分析造成偏 差的原因、后果及可采取的对策。通过危险性和可操作性研究，能够探明装置及 过程存在的危险：根据危险带来的后果，明确系统中的主要危险。该方法是一个 能发现新的危险性的定性分析方法，能够辨识静态和动态过程中的危险性，特别 适用于尚无经验的新工艺装置。 化工反应装置生产过程反应条件苛刻，对工艺参数的要求极为严格。工艺参 数的微小偏离都可能对整个生产装置产生重大影响，造成火灾、爆炸、中毒等重 大事故。危险性和可操作性研究方法能够辨识出工艺过程中可能发生的危险工艺 偏离，分析其产生的后果，并提出控制措施，因此特别适用于分析化工反应装置 的工艺过程的危险性。 ( 2 ) 故障树分析( f t a ) 故障树是一种描述事故因果关系的有向逻辑“树”，是系统安全工程中重要的 分析方法。故障树分析是从特定的故障事件( 或事故) 开始，利用故障树考察可能 引起该事件发生的各种原因事件及其相互关系的系统安全分析方法。该方法的优 点是直观、明了、思路清晰，逻辑性强，能对各种系统的危险性进行识别评价， 既适用于定性分析，又能进行定量分析。不足之处是故障树的编制受编制者主观 经验的影响较大，不同知识、经验的人所编制的故障树往往差异很大，因此影响 故障树的分析效果。应用故障树进行定量分析，需要掌握大量的基本事件的发生 概率，由于化工系统可靠性数据的缺乏，其定量分析的威用受到限制。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 故障类型和影响分析( f m e a ) 故障类型和影响分析是美国在2 0 世纪5 0 年代为分析飞机发动机故障而开发 的一种方法。故障类型和影响分析是对系统的各组成部分、元素进行的分析，系 统的组成部分或元素在运行过程中会发生故障，并且往往可能发生不同类型的故 障。这种分析方法首先找出系统中各组成部分及元素可能发生的故障或类型，查 明各种类型故障对邻近部分或元素的影响以及最终对系统的影响，然后提出避免 或减少这些影响的措施。该方法是一种定性的危险性分析方法。 化工设备是化工反应装置生产的主体。化工设备的故障往往是物料泄漏、系 统工艺参数发生变化、设备破裂的诱发因素，因此对设备的危险性进行故障类型 和影响分析分析是非常必要的。 ( 4 ) “如果怎么样? ”( w h a ti f ) “如果怎么样? ”是一种较为简单的定性危险分析方法。“如果怎么样” 方法是通过对工艺过程或反应的每一步提问，如果出现故障会给系统带来什么影 响? 有什么危害? 通过这样的分析，确定出最危险的部分。这种方法主要是依靠 过去经验的积累来辨识系统中的危险源并评价危险性，因此通常用于不太复杂的 过程。 ( 5 ) 道化学火灾、爆炸指数法 美国道化学公司所开发的火灾、爆炸指数法是一种在世界范围内有广泛影响 的危险物质加工处理危险性评价方法。该法首创于1 9 6 4 年，后经不断修改，目前 广泛使用的是它的第七版。它是以物质系数( u f ) 为基础，乘以对特定物质、一般 工艺过程或特殊工艺过程的危险修正系数，求出火灾、爆炸指数。再根据指数大 小分成四个等级。它考虑了危险物质的加工、储存及运输过程中可能导致火灾、 爆炸的许多工艺条件和有关因素，并指出了应如何采取安全措施来防止发生火灾、 爆炸。根据得到的火灾、爆炸指数，可以对危险源的危险性进行排序，并确定事 故的暴露半径，进而得到事故的潜在损失大小。该法的主要用途是针对装置的关 键特征，提供一种给工艺单元进行相对排序的方法。 ( 6 ) 综合性的方法 此外许多综合性的方法也被开发出来，主要有：1 9 8 4 年世界卫生组织( w h o ) 和国际劳工组织( i l o ) 联合提出了危险评价管理方案，该方案包括危险辨识、危险 评价和后果分析三步骤：1 9 8 5 年m a l l i k a r j u n a n 等人提出了最大设想事故分析 ( m a x i m u mc r e d i b l ea c c i d e n ta n a l y s i s ) ，用以预报化工装置发生事故时的影响范围 及可能损失；f a i s a li k h a n 与s a a b b a s i 于1 9 9 9 年提出了考虑系统各单元之间相 东北大学硕士学位论文第一章绪论 互作用的化工过程危险性评价方法，并基于该方法设计了m a x c r e d h 1 分析软 件：2 0 0 1 年美国德克萨斯州 m 大学m a r yk a yo c o n n o r 过程安全中心结合死亡、 伤害、泄漏、化学品种类四个指标以及政策法规的变更来评价化工系统的危险性； 2 0 0 2 年p a p a z o g l o u 等人提出了化工装置的整体熊险性评价模型，该方法在危险源 辨识、评价和后果分析的基础上，考虑了管理水平对系统危险性的影响，从可靠 性的角度分析了设备故障概率及维修率对系统危险性的影响。 我国在推广国外化工危险性评价方法的基础上，结合我国化工系统的特点， 逐步形成了一些较完整的评价方法降1 钔。如1 9 8 7 年原化工部安排了“光气及光气 化生产企业安全评价”课题。开创了我国化工安全评价的先河，通过研究率先提 出了“检查表一危险指数法系统安全分析”三阶段评价方法，并在1 9 8 9 年通过 了化工部的鉴定；1 9 9 1 年辽宁省推出了地方化工企业危险性评价标准化工企业 安全评价指南；苏州合成化工厂丁延声同志于1 9 9 2 年提出了化工单元装置安全 评价模式的设想“危险辨识危险分析一风险鉴定一调整控制”4 阶段评价模式； 1 9 9 5 年江汉石油管理局盐化工总厂的刘啸武同志提出了氯碱生产的安全性评价 方法；1 9 9 5 年1 0 月，由原劳动部劳保所等单位完成的我国“八五”国家科技攻 关专题“易燃、易爆、有毒重大危险源辨识、评价技术研究”通过验收，通过对 固有危险性和危险性的抵消因子的评价来综合评价现实危险性。 总之，目前国内外开发出的化工系统危险性分析方法很多，各个方法都有其 适用范围。其中适合化工装置尤其是化工反应装置的危险性分析方法主要有危险 性和可操作性研究、故障类型和影响分析以及道化学火灾、爆炸指数法。通常的 分析往往采用单一的分析方法，由于化工反应装置是一个有机的系统，单一的评 价方法不能全面地反映化工反应装置的危险性。分析化工反应装置的危险性，应 采用综合分析的方法；危险性和可操作研究方法能够系统地辨识出可能引发重大 事故的工艺偏离，但对于工艺偏离的范围不能给出具体的界定。例如应用危险性 和可操作性研究可以辨识出较高+ 温度是引发放热反应装置发生热爆炸的一个主 要偏离，但不能给出发生较高+ 温度这个偏离的具体的温度范围，这就给化工反应 装置的控制带来了困难。化工反应装置的生产属于连续、动态化过程，对工艺参 数的要求较高，工艺参数的微小变化可能引起反应失控以至重大事故，对工艺过 程的控制水平要求极高，因此有必要对引发危险性的工艺条件、化学反应的稳定 性以及化学事故的临界发生条件做进一步的分析：传统的分析方法往往注重对工 艺过程危险性的分析，忽略对化工反应装置生产过程中由于设备故障或失效引发 的危险性。化工设备是化工生产的主体。一旦出现危险，系统难以正常运行，会 6 东北大学硕士学往论文第一章绪论 引发重大事故。对化工反应装置进行危险性分析应充分考虑设备的危险性。 1 3 2 化工工艺过程危险性分析研究现状 化工工艺过程危险性分析是从化工工艺本质安全的角度，应用热力学、化学 反应动力学及能量平衡的原理分析工艺过程的危险性，找出影响工艺过程危险性 的因素，进而实现对工艺过程的安全控制。 化工工艺过程危险性研究，有两种途径。一种是通过实验进行研究，一种是 理论研究。 在实验研究方面，大部分都是针对化学物质或者化学反应的热稳定性的研究。 目前国内外普遍采用的方法有：热重法( ，r g ) 、差热分析( d t a ) 、差示扫描量热分 析( d s c ) 和应用加速量热仪( a r c ) 分析。t o 是一种测量试样重量变化的方法，测 量时按一定程序改变试样的温度，同时对试样的重量进行测量，该方法适用于测 量物质的热分解反应温度及反应量、复合材料的组分及评价化学品的耐热性。d t a 是在程序控制温度下，测量物质与参比物之问温度差与温度关系的一种技术；d s c 技术方法是按照设定的程序改变温度，使试样与标准式样之间的温度差为零，测 量两者单位时间内的热量输入差。d t a 和d s c 都可以测定物质的热力学参数，进 而分析物质的热稳定性。a r c 是一种基于绝热原理是设计的热分析仪，可以测得 有关反应热力学和动力学信息。 以上四种方法均可用来研究物质的热危险性。其中t o 、d t a 、d s c 分析方法 的优点是所需要的样品量很小( 一般为几毫克) 、测试时间短( 两个小时左右) 。但由 于测试所使用的样品量小，测试得到的数据只能粗略的判断物质的放热性能；a r c 分析方法可以使用较大的样品量( 通常为l 5 9 ) ，热惰性较小，敏感性高( 0 5 w 1 呵1 ) ， 可以同时提供温度和压力数据。a r c 已经成为国际上评价物质热稳定性的常用测 试手段之一，并逐步向成为标准测试方法的方向发展【4 6 j 。 在理论研究方面，主要是依据热力学、化学反应动力学及能量平衡的相关理 论来研究工艺过程的危险性。岳庚吉从反应失控的角度研究了绝热系统和有外部 冷却设备的反应器发生失控时的爆炸危险性；k u o - m i n gl u o 等人研究了非绝热间 歇反应器的热稳定性和临界偏离条件，主要是采用热力学、化学反应动力学以及 热爆炸的理论来进行研究；z h i - m i nf u 等人在实验模拟的基础上应用反应动力学 及能量平衡原理分析了分解反应的热稳定性。预测了可能发生分解爆炸反应的温 度 4 7 - o 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 化工反应装置危险性分析模式 化工反应装置类型众多，由于原料( 产品) 、工艺条件、采用设备的差异，存在 的危险性不尽相同。基于国内外各种化工反应装置危险性研究的现状，结合化工 反应装置生产过程的特点，提出了化工反应装置危险性的分析模式为：首先对化 工反应装置中的危险源进行辨识，然后通过对危险源危险性的评估( 对危险源危险 性初步排序) 确定出需要进行重点研究的危险单元。对上述单元工艺过程的危险性 和设备的危险性分别进行分析，最后提出改进措旋。 美国道化学公司所开发的火灾、爆炸指数法是一种在世界范围内有广泛影响 的危险物质加工处理危险性评价方法。它是以物质系数( m f ) 为基础，乘以特定物 质、一般工艺过程或特殊工艺过程的危险修正系数，求出火灾、爆炸指数。根据 得到的火灾、爆炸指数，可以对危险源的危险性进行排序，并确定事故的暴露半 径，进而得到事故的潜在损失大小。因此，采用道化学火灾、爆炸指数法对危险 源的危险性进行评估。 工艺过程危险性分析是以过程系统为研究对象，以过程中的工艺参数作为研 究的出发点进行分析的。正常生产过程的实质是各种工艺参数问的相对平衡。任 一参数超范围的变化，平衡就被打破，可能导致事故。化工反应装置生产过程中工 艺参数的变化会产生怎样的后果，如何对过程条件进行控制和调节，一旦失控如何 紧急处置以减少和避免损失，是化工反应装置危险性分析的主要内容。危险性与 可操作性研究( 眦z 0 p ) 通过设想生产工艺的每一部分可能发生的与正常操作相违 背的偏离，分析造成偏离的不正常的原因和偏离引起的不利的后果，从而辨识出 装置及工艺过程中存在的危险；根据危险带来的后果，明确系统中的主要危险。 因此可以采用危险性与可操作性研究分析化工反应装置工艺过程的危险性。由于 危险性和可操作研究方法对于工艺过程的危险性只能给出定性的分析结果，对于 引发工艺偏离的工艺条件不能给出具体的界定，因此应采用化学热力学、化学反 应动力学及能量平衡等相关理论对引发危险性的工艺条件、化学反应的稳定性以 及化学事故的临界发生条件做进一步的分析。 化工反应装置的生产过程中存在着反应器、单元操作设备等众多的设备和管 线，它们在系统的运行过程中由于设计缺陷、承受的负荷变化，本身可靠性等因 素的影响，不可避免地会发生故障。化工生产中设备的故障往往是物料泄漏、系 统工艺参数发生变化、设备破裂的诱发因素。故障类型和影响分析是对系统的各 组成部分、元素进行的分析，系统的组成部分或元素在运行过程中会发生故障， 并且往往可能发生不同类型的故障。因此采用故障类型和影响分析方法分析化工 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 反应装置中各单元中主要设备的危险性。 化工反应装置危险性分析的模式如图1 1 所示。 图1 1 化工反应装置危险性分析模式 砘g 1 1m o d ef o rr i s ka n a l y s i so fc h e m i c a lr e a c t i o nd e v i c e 9 东北大学硕士学位论文 第二章化工反应装置危险性分析基础 第二章化工反应装置危险性分析基础 化工反应装置是一个由反应器、分离设备、众多管线、控制仪表等设备、设 旌组成的有机系统。化工反应装置生产过程中涉及到诸多危险因素，既有物质、 设备、控制方面的因素，也有操作过程等因素。大多反应单元都是放热反应过程， 涉及到苛刻的反应条件和浓度配比，有的对杂质反应极为敏感，稍有不慎，就会 导致反应失控。因此，必须对反应装置所涉及到的危险源进行有效、准确鉴别和 危险分级，才能确保所提出的分析技术的可靠实施。 2 1 危险源辨识 危险源的辨识包括危险物料的辨识、危险工艺过程的辨识。其中物料的危险 性为物质危险性，而工艺过程的危险性为过程危险性。 2 1 1 危险物料的辨识 生产过程中的原材料、半成品、中间产品、副产品以及贮运中的物质分别以 气、液、固态存在，它们在不同的状态下分别具有相对应的物理、化学性质及危 险危害特性，因此了解并掌握这些物质的固有危险特性是进行危险辨识、分析、 评价的基础。 危险物料的辨识应从其理化性质、稳定性、化学反应活性、燃烧及爆炸特性、 毒性及健康危害等方面进行分析与辨识。 进行危险物料的辨识应考虑如下方面1 1 6 】： ( 1 ) 物料的危险性质 1 ) 物理性质； 2 ) 剧毒物质的性质； 3 ) 慢性有毒物质的性质； 4 ) 反应性质； 5 ) 燃烧及爆炸性质； 6 ) 物质的反应或分解速度、热效应数据。 ( 2 ) 危险物料可能导致的事故后果 1 ) 急性中毒； 2 ) 火灾； 3 ) 爆炸； 4 ) 化学性灼伤及腐蚀。 l o 东北大学硕士学位论文第二章化工反应装置危险性分析基础 2 1 2 危险工艺过程的辨识 工艺过程的危险性辨识有如下几种情况【“l ： ( 1 ) 存在不稳定物质的工艺过程，这些不稳定物质包括原料、中间产物、副产 物、添加剂或杂质等； ( 2 ) 放热的化学反应过程； ( 3 ) 含有易燃物料而且在高温高压下运行的工艺过程； ( 4 ) 含有易燃物料且在冷冻状态下运行的工艺过程； ( 5 ) 在爆炸极限范围内或接近爆炸性混合物极限的工艺过程； ( 6 ) 有可能形成尘、雾爆炸性混合物的工艺过程； ( 7 ) 有剧毒、高毒物料存在的工艺过程； ( 8 ) 储有压力能量较大的工艺过程； 对于一般的工艺过程也可以按以下原则进行工艺过程的危险性辨识： ( 1 ) 能使危险物的良好防护状态遭到破坏或者损害的工艺； ( 2 ) 工艺过程参数( 如反应温度、压力、浓度、流量等) 难以严格控制并可能引 发事故的工艺； ( 3 ) 工艺过程参数与环境参数具有很大差异，系统内部或者系统与环境之间在 能量的控制方面处于严重不平衡状态的工艺； ( 4 ) 旦脱离防护状态的危险物会引起或极易引起大量积聚的工艺或生产环 境； ( 5 ) 有产生电气火花、静电危险性或其它明火作业的工艺，或有炽热物、高温 熔融物的工艺或生产环境； ( 6 ) 能使设备可靠性降低的工艺过程。如低温、高温、振动和循环负荷疲劳影 响等； ( 7 ) 由于工艺布置不合理较易引发事故的工艺； ( 8 ) 在危险物生产过程中有强烈机械作用影响( 如摩擦、冲击、压缩等) 的工艺； ( 9 ) 容易产生混合危险的工艺或者有使危险物出现配伍禁忌可能性的工艺。 2 2 化工反应装置系统安全分析方法 2 2 1 道化学火灾、爆炸指数法 美国道化学火灾、爆炸指数法以工艺过程中物料的火灾、爆炸潜在危险性为 基础，结合工艺条件、物料量等因素求取火灾、爆炸指数，进而可求出经济损失 的大小，以经济损失评估生产装置的安全性。道化学火灾、爆炸指数法由于考虑 东北大学硕士学位论文第二章化工反应装置危险性分析基础 了工艺条件、所处理的物料特性和物料量等因素，提供了评估火灾、爆炸总体危 险的关键数据，因而评估结果与同类方法相比具有较高的可信度，其指数已被化 学工业和石油化学工业公认为最主要的危险指数1 ”l 。 道化学火灾爆炸指数法共包括1 3 个步骤，见图2 1 。 ( 1 ) 确定要分析的工艺单元。 ( 2 ) 确定工艺单元的物质系数( m f ) 。 ( 3 ) 计算一般工艺危险性f 。 ( 4 ) 特殊工艺危险性f 2 。 ( 5 ) 计算单元工艺危险系数。f 3 = f 。xf 2 。 ( 6 ) 计算火灾爆炸指数。f & e i = 8 f x f 。 ( 7 ) 计算火灾爆炸影响范围。r = o 2 6f & e i ( m ) 。 ( 8 ) 计算火灾爆炸影响范围内财产价值。 ( 9 ) 确定破坏系数。反应能量释放造成破坏的程度地指标，取值0 o l 1 0 。 ( 1 0 ) 计算基本最大预计损失基本m p p d 。 ( 11 ) 计算实际最大预计损失实际m p p d 。 ( 1 2 ) 选择安全措施补偿系数。考虑工艺控制、隔离、防火三方面的安全措施。 ( 1 3 ) 计算停产损失b i ：估计最大可能损失生产日数i p o o 后计算停产损失。 根据火灾、爆炸等级可以判断单元危险性等级，见表2 1 。 表2 1f & e l 值与危险等级 东北大学硕士学位论文 第二章化工反应装置危险性分析基础 圈2 1 道化学火灾爆炸指数法流程 r i g 2 1t h ea s s e s s m e n tp r o c e s so f d o w sm e t h o d 1 3 东北大学硕士学位论文第二章化工反应装置危险性分析基础 2 2 2 危险性和可操作性研究 危险性与可操作性研究( h a z o p ) 是英国帝国化学工业公司于1 9 7 4 年开发的， 是最常用的定性安全分析方法之一【1 8 1 。h a z o p 研究利用管线、仪表图( p i d ) 对从 始到末的接个工艺过程进行详细的研究，包括每一容器、管道、阀门以及生产过 程中采用的其他控制装置。在h a z o p 分析中对管线的研究是与工艺操作相联系 的，造成工艺操作偏差的原因有人失误、工艺或材料失效等。因此，h a z o p 分析 研究物理设备( 管线、仪表) 运行的各种状态，如温度、压力、穿孔、疲劳等，人与 管线、仪表之间的相互影响，以及人失误、系统失控或材料失效可能引起的异常。 h a z o p 分析使用许多专门的术语，常用的术语有： ( 1 ) 意图。希望工艺的某一过程实现的功能。 ( 2 ) 偏离。背离设计意图所造成的后果，在分析中运用引导词系统地审查工艺 参数来发现偏离。 ( 3 ) 原因。引起偏离的原因。 ( 4 ) 后果。偏离设计意图所造成的后果。 ( 5 ) 引导词。在危险源辨识过程中用来引导研究人员的思维，以进行设想偏离 的词语。h a z o p 分析常用的引导词及其意义如表2 2 所示。 表2 2 常用引导词及其意义 ! ! 坐! ：! 生竺竺! ! 壁坐婴鲤! ! ! ! 坐竺竺! 墼 引导词意义 没有或不 较少 较多 部分 也，又 反向 非 对意图的完全否定 量的减少 量的增加 质的减少，仅实现部分意图 质的增加，实现意图，但有其他事件发生 与意图的相反 ，发生完全另外的事情 ( 6 ) 工艺参数。有关工艺的物理或化学特性的参数。h a z o p 分析常用的工艺参 数如表2 3 所示。 衰2 3 常用工艺参数 t a b l e2 3p i r a n t e | e l $ j n m m o 丑哪e 流量时间频率混合 压力成分粘度添加 温度 p h 值 浓度分离 液位速度电压反应 1 4 东北大学硕士学位论文第二章化工反应装置危险性分析基础 h a z o p 分析一般按照以下的步骤开展： ( 1 ) 准备工作 在进行研究之前，有许多工作要做，包括： i ) 确定分析的目的、对象和范围。在分析之前，必须首先明确进行危险与可 操作性研究的目的，确定研究的系统或装置等。分析目的可以是审查一项设计， 也可以是审查现行的指令、规程是否完善，以及找出工艺过程中的危险源等。 2 ) 成立研究小组。开展危险与可操作性研究需要利用集体的智慧和经验，研 究小组成员以5 7 人为宜，应包括设计、工艺、仪表控制等专业技术人员和安全 技术人员，也可吸收现场操作人员和设备维修人员参加，小组长要善于发动组员， 深入思考，并有能力确定分析点，以及搜集资料、制定计划、准备记录表格，安 排讨论会等工作。为了考虑可能对环境造成的不利影响，尤其是对大量应用有毒、 有害物质的化工企业进行分析时，应该还要有环境工程师的参加。 3 ) 获得必要的资料。由于h a z o p 需要研究分析对象的每一细节，所以资料 必须详细可靠。进行h a z o p 分析需要各种图纸如管道仪表控制图、工艺流程图、 工厂设计图纸，以及设备控制顺序图、逻辑图和计算机程序。有时还需要工厂和 设备的操作规程等。 ( 2 ) 开展h a z o p 研究 h a z o p 研究小组通过会议的形式，一般从工艺过程的起端开始，逐步从管线 或设备等能发生参数偏差的部分分析下去，一直到工艺完成。研究小组成员通过 各种形式的提问，对可能出现的偏离、偏离的原因、后果及应采取的措施发表意 见。工作程序如下： i ) 划分单元，明确功能。将分析对象划分为若干单元，即工作节点，明确各 节点的意图，说明其运行状态和过程。 2 ) 选择引导词，用引导词逐一分析每个单元可能出现的偏差。一般从工艺过 程的起点到管线、设备等，一步步分析可能产生的偏差，直到工艺过程结束。 3 ) 分析产生偏差的原因及可能造成的后果。 4 ) 通过分析确定装置及过程中存在的危险，提出控制措施和对策。 2 2 3 故障类型和影响分析 故障类型和影响分析( f m 卧) 是对系统的各组成部分、元素进行的分析，系统 的组成部分或元素在运行过程中会发生故障，并且往往可能发生不同类型的故障 m j 。这种分析方法首先找出系统中各组成部分及元素可能发生的故障及其类型， 查明各种类型故障对邻近部分或元素的影响以及最终对系统的影响，然后提出避 免或减少这些影响的措施。 东北大学硕士学位论文 第二章化工反应装置危险性分析基础 故障类型及影响分析的步骤如下； ( 1 ) 将系统分成子系统，以便处理。 ( 2 ) 审查系统和予系统的工作原理图、示意图、草图，查明它们之间及元件组 合件之间的关系。 ( 3 ) 编制每个待分析子系统的全部零件表，每个零件的特有功能同时列入。确 定操作和环境对系统的作用。 ( 4 ) 分析工作图和工作原理图，查出元件发生的主要故障机理。 ( 5 ) 查明每个元件的故障类型及对子系统的故障影响。一个元件有一个以上的 故障类型时，必须分析每一类型故障的影响并分别列出。 ( 6 ) 列出故障概率。 ( 7 ) 列出排除或控制危险的措施。如果故障会引起受伤或死亡，要说明提供的 安全装置。 故障类型及影响分析通常按预定的分析表逐项进行，表2 。4 为故障类型及影 响分析示例。表中的危险严重度及故障发生概率分别按表中的原则加以确定。 表2 4 故障类型及影响分析表 元、器功赦障及误动作故障的影响危险的故障发检测方法采取 件名称能的类型 严重度生概率( 故障识别)措施 2 3 工艺过程危