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过程装备安全技术

过程装备安全技术

【摘要】：

正现代化工生产规模超大、能量密集、产物众多,具有高温、高压、低温、低压、有毒、和易燃易爆的特点,历来是工业安全生产的重中之重。

本文在论述和分析我国化工过程安全现状的基础上,指出当前化工过程安全领域在技术上急需解决两个问题:

本质安全过程设计以及事故在线早期诊断。

文中着重讨论了如何应用化工系统工程的理论和方法解决上述问题。

人类在求生存求发展的过程中，不断地从自然界获取物质和精神财富，而同时又在一定条件下经受着自然界作用于人类的危害。

特别是在生产活动中，随着生产技术的不断发展，生产过程中的危险性也随之上升。

人们在长期的生产实践中，为了保护自身的安全，不得不想办法控制各种危害，从而积累了消除不安全因素，促进生产发展，保护自身安全的经验。

由此也逐渐形成了一门新的学科——安全科学。

安全工程是安全科学的工学门类。

它是研究生产过程中各种事故和职业性伤害发生的原因以及防止事故和职业病发生的一门科学技术。

不同生产过程发生事故的种类和原因不完全相同，防止的方法也有所差异。

化工安全工程则针对化工生产中存在的主要危险和有害因素，研究其发生事故的原因及防措施。

专业历史

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。

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。

同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倔起推动了各种单元操作的研究。

由于单元操作的发展，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。

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。

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，化学上业过程开发周期已能缩短至4—5年，放大倍数达500一20000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容。

过程开发的核心容是放大。

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。

本专业学科发展方向及国际发展趋势化工过程本质安全1977年英国化工安全专家科雷兹（T.A.Kletz）向英国化工协会提交的报告中,第一次提出了“本质安全”的概念,并提出了化工生产过程本质安全设计的基本原理。

其核心思想是从根源上消除或减小危险,而不是依靠附加的安全防护。

随着全球现代化的需要和发展，在化工机械里面逐渐应用到了越来越多的自动控制。

因此，为了符合我国现代化发展需要，顺应科技时代的潮流，1998年3月教育部应上届教学指导委员会的建议将专业改名为过程装备与控制工程。

从此，一个更加具有发展潜力的新专业诞生了。

20多年来，我国先后在60多个高校开设了这一个专业，使得该专业得到了很大的发展。

课程简介

《过程装备安全技术》是安全科学的工学门类。

它是研究生产过程中各种事故和职业性伤害发生的原因以及防止事故和职业病发生的一门科学技术。

不同生产过程发生事故的种类和原因不完全相同，防止的方法也有所差异。

化工安全工程则针对化工生产中存在的主要危险和有害因素，研究其发生事故的原因及防措施。

化工安全工程与技术

方向：

介质危险特性及监测；化工过程及装备安全；压力容器与管系安全；燃烧与爆炸过程理论；事故分析与安全评价

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的。

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。

化工装置大型化，加工能力显著增大，大量化学物质都处在工艺过程中，增加了物料外泄的危险性。

化工生产中的物料，多半本身就是能源和毒性源，一旦外泄就会造成重大事故，给生命和财产带来巨大灾难。

这就需要对过程物料和装置结构材料进行更为详尽地考察，对可能的危险做出准确的评估并采取恰当的对策，对化工装置的制造加工工艺也提出了更高的要求。

化工安全设计在化工设计中变得更加重要。

过程装备与控制工程-基本分类

第一化学工业发展与对安全的新要求

第二物质性质、物化原理与安全

第三燃烧要素、类别以及燃烧过程原理的介绍

第四职业毒害与防毒措施

第五压力容器和机电安全

第六工业腐蚀与预防措施

第七普通工业安全卫生

研究对象：

任何生产过程都离不开人、物、环境三个方面的因素，人包括从事生产活动的操作人员和各级管理人员；物有生产中所用的物质（含原材料、辅助材料、催化剂、半成品、产品以及作为动力的能源）和机器设备（如机械设备、电气设备、控制系统和仪器仪表等）；环境是指每个生产过程所处的作业环境和社会环境。

三个方面因素构成了“人—物—环境”生产系统，每个因素就是生产系统的一个子系统。

各个子系统都存在着一定的潜在危险因素，并在一定条件下转变为事故，影响系统功能的正常发挥。

大量事故的调查结果表明，导致事故的原因基本上是由这三方面因素造成的。

在人—物—环境系统中·，三个子系统相互联系、相互制约、相互影响，构成一个有机整体。

例如，由于人对设备的设计、制造有缺陷或维修保养不良，使物（机器设备）存在着不安全状态；物的不安全状态又会在客观上造成人有不安全行为的环境条件；社会环境和作业环境影响着人的心理、生理特征，某些环境因素也会使物的性能发生变化，例如机器寿命和精度下降。

因此，安全工程要从系统的观念出发，研究人、物、环境三个方面潜在的危险因素以及出现的条件和形成事故的规律，探讨控制危险、预防事故的有效对策和手段，提高系统的安全可靠性。

主要任务：

研究工业灾害发生的原理及规律，分析、评价生产中可能发生的事故，采用工程技术方法和科学管理手段控制生产中的危险有害因素，防止伤亡事故、职业病、职业中毒以及其他各种事故发生，创建安全、卫生、舒适的劳动条件。

由于生产过程存在着各种各样不安全不卫生因素，这些因素发生事故的规律及其预防方法不完全相同，因此安全工程研究的容围很广，这些容归纳起来可分为以下三个方面：

1.安全技术安全技术是针对生产劳动过程中存在着的危险因素，研究采取怎样的技术措施将其消灭在事故发生之前，预防和控制工伤事故和其他各类事故的发生。

它包括工艺、设备、控制等各个方面，例如变不安全的工艺流程和操作方法为安全的流程和方法，在设备上安装防护装置、保险装置，设置安全联锁、紧急停车等控制手段。

2.劳动卫生技术它是针对生产劳动过程中存在着对人体健康有害的因素，长期作用于人体会引起机体器官发生病变，导致职业中毒和职业病，研究如何防治职业危害的技术措施。

这方面的容也称职业卫生。

它包括防尘防毒、噪声治理、振动消除、通风采暖、采光照明，以及其他物理化学有害因素的防护、现场急救等。

3.安全卫生管理安全卫生管理是指对安全生产所进行的计划、组织、指挥、协调和控制的一系列活动。

它是从立法上和组织上采取措施，保护职工在劳动过程中的安全和健康。

研究的容主要有：

制订安全生产的方针政策、法令法规（包括各种规程、规、条例、标准），使安全生产做到有法必依，有章可循，用法制的手段实施安全。

主要目的：

保护人的生命安全以及在生产活动中的身心健康，使职工在劳动中保持持久的劳动能力，提高劳动效率；保护设备财产不受损坏，使生产能安全、稳定、顺利地进行，以提高经济效益。

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。

主要意义：

安全的重要性：

生命最宝贵，身体健全最重要。

化工生产中的安全：

据统计，化工爆炸在工业爆炸事故中所占比例最大，32.4%；事故造成的损失也最大，约为其他工业部门的5倍。

安全教育的必要性能：

酿成化工事故的主要原因为对加工的化学物质性质及有关的物理化学原理不甚了解，忽视过程和操作的安全，违章操作。

随着化学工业的发展，涉及到的化学物质的种类和数量显著增加。

很多化工物料的易燃性、反应性和毒性本身决定了化学工业生产事故的多发性和严重性。

反应器、压力容器的爆炸以及燃烧传播速度超过声速，都会产生破坏力极强的冲击波，冲击波将导致周围厂房建筑物的倒塌，生产装置、贮运设施的破坏以及人员的伤亡。

如果是室爆炸，极易引发二次或二次以上的爆炸，爆炸压力叠加，可能造成更为严重的后果。

多数化工物料对人体有害，设备密封不严，特别是在间歇操作中泄漏的情况很多，容易造成操作人员的急性或慢性中毒。

据我国化工部门统计，因一氧化碳、硫化氢、氯气、氯氧化物、氨、苯、二氧化碳、二氧化硫、光气、氯化钡、氮气、甲烷、氯乙烯、磷、苯酚、砷化物等16种化学物质造成中毒、窒息的死亡人数占中毒死亡总人数的87.6％。

而这些物质在一般化工厂中是常见的。

随着化学工业的发展，化工生产呈现设备多样化、复杂化以及过程连接管道化的特点。

如果管线破裂或设备损坏，会有大量易燃气体或液体瞬间泄放，迅速蒸发形成蒸气云团，与空气混合达到爆炸下限。

云团随风漂移，飞至居民区遇明火爆炸，会造成难以想像的灾难。

据估计50t的易燃液体泄漏、蒸发将会形成直径为700m的云团，在其覆盖下的居民，将会被爆炸火球或扩散的火焰灼伤，火球或火焰的辐射强度将远远超过人所能承受的程度，同时还会因缺乏氧气而使人窒息致死。

化工装置的大型化使大量化学物质都处于工艺过程或贮存状态，一些密度比空气大的液化气体如氨、氯等，在设备或管道破裂处会以15°～30°角呈锥形扩散，在扩散宽度100m左右时，人还容易察觉迅速逃离，但在距离较远而毒气尚未稀释到安全值时，人则很难逃离并导致中毒，毒气影响宽度可达1000m或更大。

前述的印度博帕尔事件造成三千多人死亡就属于这种情况。

知识视窗

工矿商贸合计各类事故14702起，死亡16497人：

煤矿死亡事故3639起，死亡6027人。

金属与非金属矿伤亡事故2248起，死亡2699人。

建筑业伤亡事故2582起，死亡2789人。

危险化学品伤亡事故193起，死亡291人。

烟花爆竹伤亡事故138起，死亡322人。

工商贸其它伤亡事故5902起，死亡4369人。

2、消防火灾事故252701起，死亡2557人。

3、道路交通事故517889起，死亡107077人。

人类在求生存求发展的过程中，不断地从自然界获取物质和精神财富，而同时又在一定条件下经受着自然界作用于人类的危害。

特别是在生产活动中，随着生产技术的不断发展，生产过程中的危险性也随之上升。

人们在长期的生产实践中，为了保护自身的安全，不得不想办法控制各种危害，从而积累了消除不安全因素，促进生产发展，保护自身安全的经验。

由此也逐渐形成了一门新的学科——安全科学。

《过程装备安全技术》是安全科学的工学门类，它是研究生产过程中各种事故和职业性伤害发生的原因以及防止事故和职业病发生的一门科学技术。

不同生产过程发生事故的种类和原因不完全相同，防止的方法也有所差异。

化工安全工程则针对化工生产中存在的主要危险和有害因素，研究其发生事故的原因及防措施。

……

安全事故

安全事故是指生产经营单位在生产经营活动（包括与生产经营有关的活动）中突然发生的,伤害人身安全和健康,或者损坏设备设施,或者造成经济损失的,导致原生产经营活动（包括与生产经营活动有关的活动）暂时中止或永远终止的意外事件。

1锅炉炉膛煤气爆炸事故案例、

发生时间：

2000年9月23日

发生地点：

省潞城市潞宝焦化实业总公司

伤亡人数：

死亡2人、重伤5人、轻伤3人

经济损失：

49.42（万元）

事故行业：

石油化工

事故性质：

特大伤亡事故

事故类别：

锅炉爆炸

起因物：

锅炉

事故原因：

玩忽职守、违反安全生产责任制和操作规程

事故发生经济及破坏情况：

2000年9月23日上午10时15分，潞宝煤气发电厂厂长指令锅炉房带班班长对锅炉进行点火，随即该班职工将点燃的火把从锅炉从南侧的点火口送入炉膛时发生爆炸事故。

尚未正式移交使用的煤气发电锅炉在点火时发生炉膛煤气爆炸，炉墙被摧毁，炉膛水冷壁管严重变形，最大变形量为1.5米。

钢架不同程度变形，其中中间两根立柱最大变形量为230mm，部分管道、平台、扶梯遭到破坏，锅炉房操作间门窗严重变形、损坏。

锅炉烟道、引风机被彻底摧毁，烟囱发生粉碎性炸毁，砖飞落到直径约80m围，砸在屋顶的较大体积烟囱砖块造成锅炉房顶11处孔洞，汽轮发电机房顶13处孔洞，最大面积约15m2，锅炉房东墙距屋顶1.5m处有12m长的裂缝。

炸飞的烟囱砖块将正在厂房外施工的人员2人砸死，别造成５人重伤，3人轻伤。

爆炸冲击波还使距锅炉房500m围的门窗玻璃不同程度地被震坏。

事故发生后，当地有关部门非常重视，迅速赶赴事故现场组织抢救，对死伤人员进行了妥善处置。

潞城市政府责成有关部门和人员对事故进行了调查。

2机械伤害事故

发生时间：

2001年1月28日

发生地点：

省某磷矿化工厂磷铵车间磷酸工段

伤亡人数：

1人死亡

经济损失：

0（万元）

事故行业：

石油化工

事故性质：

重大伤亡事故

事故类别：

机械伤害

起因物：

其它机械

事故原因：

玩忽职守、违反安全生产责任制和操作规程

事故经过：

2001年1月28日0时30分，确铵车间化工一班值长某、班长某、某、王某等人值夜班，交接班后，各自到岗位上班。

某、某俩人工作职责之一包括到磷酸工段巡查，某系盘式过滤机岗位操作工，王某系磷酸工段中控岗位操作工，其职责包括对过滤机进行巡查。

5时30分，厂调度室通知工业用水紧，磷酸工段因缺水停车。

7时40分，某、某、王某3人在磷酸工段三楼（事发地楼层）疏通盘式过滤机冲盘水管，处理完毕后，7时45分左右系统正式开车，某离开三楼去其它岗位巡查，某在调冲水量及角度后到絮凝剂加料平台（距二楼楼面高差3m）观察絮凝剂流量大小，某当时看到王某在三楼过滤机热水桶位置处。

经过一分多钟，某突然听见过滤机处发生惨烈的叫声，急忙跑下平台楼到操作室关掉过滤机主机电源，然后跑出操作室看见王某倒挂在过滤机导轨上。

某急忙呼叫值长某和几个工人，一齐紧急施救。

当时现场情况是：

王某面部向上倒挂在盘过导轨上，双手在轨外倒垂，双脚在导轨（固定设施）和平台（转动设备，已停机）之间的空档（200mm）下垂，大腿卡在翻盘叉（随平台转动设备）与导轨之间，已明显骨折。

施救人员迅速倒转过滤机后将王某取出，并抬到磷酸中控室（二楼），经紧急现场抢救终因伤势过重于8时25分死亡。

3压力容器设备严重损坏事故案例

发生时间：

2000年1月18日

发生地点：

省临漳县兴达制浆

伤亡人数：

3人死亡

经济损失：

19.3（万元）

事故行业：

石油化工

事故性质：

重大伤亡事故

事故类别：

灼烫

起因物：

压力容器

事故原因：

玩忽职守、违反安全生产责任制和操作规程

2000年1月18日省临漳县兴达制浆一台25m3蒸球出浆管伸缩节连接处意外脱落造成蒸汽纸浆喷出，导致3人死亡。

直接经济损失19.3万元。

事故的主要经过：

2000年1月17日8时，蒸球车间2名操作工上班后与二楼切草人员配合开始给3号蒸球加料，下午1时30分加料完毕，开始送汽。

约1个半小时后，球压力达到0.6MPa开始保压正常运行，同时，由于2号蒸球出料口堵塞，生产安全技术员，维修工，操作工等3人正在现场维修。

17时40分，3号蒸球出料管伸缩节突然错位脱落，球大量蒸汽纸浆向西方向迅速喷出，这时正在2号蒸球工作台上抢修的三名工作人员由于躲避不及（车间门向开），当场烫伤、昏迷，事故发生后，伤员当即用车送到就近的磁县医院抢救，由于伤势过重，经抢救无效，相继死亡。

化工安全理论和技术的发展动向

化工安全工程是一门涉及围很广、容极为丰富的综合性学科。

它涉及数学、物理、化学、生物、天文、地理等基础科学；电工学、材料力学、劳动卫生学等应用科学：

化工、机械、电力、冶金、建筑、交通运输等工程技术科学。

在过去几十年中，化工安全的理论和技术随着化学工业的发展和各学科知识的不断深化，取得了较大进展。

除了对火灾、爆炸、静电、辐射、噪声、职业病和职业中毒等方面的研究不断深入外，还把系统工程学的理论和方法应用于安全领域，派生出了一个新的分支——安全系统工程学。

化工装置和控制技术的可靠性研究发展很快，化工设备故障诊断技术、化工安全评价技术，以及防火、防爆和防毒的技术和手段都有了很大发展。

化工安全技术的新进展

近几十年来，安全技术的科学技术成果的不断发展，使安全技术已发展成为一个独立的科学技术体系。

对安全的认识不断深化，实现实全生产的方法和手段日趋完善。

1．设备故障诊断技术和安全评价技术迅速发展。

随着化学工业的发展，高压技术的应用，对压力容器的安全监测变得极为重要。

无损探伤技术得到迅速发展，声发射技术和红外热像技术在探测容器的裂纹方面，断裂力学在评价压力容器寿命方而都得到了重要应用。

危险性具有潜在的性质，在一定条件下可以发展成事故，也可以采取措施抑制其发展。

所以危险性辨识成为重要问题。

目前国外积极推行的安全评价技术，就是在危险性辨识的基础上，对危险性进行定性和定量评价，并根据评价结果采取优化的安全措施。

2．监测危险状况、消除危险因素的新技术不断出现

危险状况测试、监视和报警的新仪器不断投入应用。

不少广泛采用了烟雾报警器、火焰监视器。

感光报警器、可燃性气体检测报警仪、有毒气体浓度测定仪、噪声测定仪、电荷密度测定仪和嗅敏仪等仪器。

消除危险因素的新技术、新材料和新装置的研究不断深入。

橡胶和纺织行业已有效地采用了放射性同位素静电中和剂，在烃类燃料和聚合物溶液中，抗静电添加剂已投入使用。

压力、温度、流速、液位等工艺参数自动控制与超限保护装置被许多化工企业所采用。

救人灭火技术有了很大进展

许多在研制高效能灭火剂、灭火机和自动灭火系统等方面取得了很大进展。

如美国研制成功的新灭火抢救设备空中飞行悬挂机动系统，具有救人救火等多种功能。

法国研制的含有玻璃纤维的弹性软管，能耐800℃的高温，当人在软管中迅速滑落时，不会灼伤，手和脸部的皮肤也不会擦伤。

4．预防职业危害的安全技术有了很大进步

在防尘、防毒、通风采暖、照明采光、噪声治理、振动消除、高频和射频辐射防护、放射性防护、现场急救等方面都取得了很大进展。

5．化工生产和化学品贮运工艺安全技术、设施和器具等的操作规程及岗位操作法，化工设备设计、制造和安装的安全技术规不断趋于完善，管理水平也有了很大提高。

参考文献：

1.《化工安全技术概论》，化学工业，振枢

2.《化工安全与环保》，化学工业，智恒平

3.《化学安全工程学》，中国石油，王凯全

4.《化工安全技术基础》，机械工业，朱宝轩

5.《化工原理》，化学工业，王志魁，丽英，伟