化學工業(yè)發(fā)展與對安全的新要求

1、化學工業(yè)發(fā)展與對安全的新要求 一、化學工業(yè)發(fā)展概況現代化學工業(yè)始于18世紀的法國，隨后傳人英國。19世紀，以煤為基礎原料的有機化學工業(yè)在德國迅速發(fā)展起來。但那時的煤化學工業(yè)按其規(guī)模并不十分巨大，主要著眼于各種化學產品的開發(fā)。所以當時化工過程開發(fā)主要是由工業(yè)化學家率領，機械工程師參加進行的。技術人員的專業(yè)也是按其從事的產品生產分類的，如染料、化肥、炸藥等。直到19世紀末，化學工業(yè)萌芽階段的工程問題，都是采用化學(家)加機械(工程師)的方式解決的。現代化學工業(yè)的發(fā)展時期是在美國開始的。19世紀末20世紀初，石油的開采和大規(guī)模石油煉廠的興建為石油化學工業(yè)的發(fā)展和化學工程技術的產生奠定了基礎。同以煤為

2、基礎原料的煤化學工業(yè)相比，煉油業(yè)的化學背景不那么復雜多樣化，因此有可能也有必要進行工業(yè)過程本身的研究，以適應大規(guī)模生產的需要。這就是在美國產生以“單元操作”為主要標志的現代化學工業(yè)的背景。1888年，美國麻省理工學院開設了世界上最早的化學工程專業(yè)，接著，賓夕法尼亞大學、土倫大學和密執(zhí)安大學也先后設置了化學工程專業(yè)。這個時期化學工程教育的基本內容是工業(yè)化學和機械工程。1915年12月麻省理工學院一個委員會的委員adlittle首次正式提出了單元操作的概念。20世紀20年代石油化學工業(yè)的崛起推動了各種單元操作的研究。由于單元操作的發(fā)展，30年代以后，化學機械從純機械時代進入以單元操作為基礎的化工機

3、械時期。40年代，因戰(zhàn)爭需要，三項重大開發(fā)同時在美國出現。這三項重大開發(fā)是，流化床催化裂化制取高級航空燃料油、丁苯橡膠的乳液聚合以及制造首批原子彈的曼哈頓工程。前兩者是用30年代逐級放大的方法完成的，放大比例一般不超過50：1。但是曼哈頓工程由于時間緊迫和放射性的危害，必須采用較高的放大比例，達1000：1或更高一些。這就要求依靠更加堅實的理論基礎，以更加嚴謹的數學形式表達單元操作的理論。曼哈頓工程的成功大大促進了單元操作在化學工業(yè)中的應用。50年代中期提出了傳遞過程原理，把化學工業(yè)中的單元操作進一步解析為三種基本操作過程，即動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞以及三者之間的聯系。同時在反應過程中把化

4、學反應與上述三種傳遞過程一并研究，用數學模型描述過程。連同電子計算機的應用以及化工系統(tǒng)工程學的興起，使得化學工業(yè)發(fā)展進入更加理性、更加科學化的時期。20世紀60年代初，新型高效催化劑的發(fā)明，新型高級裝置材料的出現，以及大型離心壓縮機的研究成功，開始了化工裝置大型化的進程，把化學工業(yè)推向一個新的高度。此后，化學工業(yè)過程開發(fā)周期已能縮短至45年，放大倍數達50020000倍?；瘜W工業(yè)過程開發(fā)是指把化學實驗室的研究結果轉變?yōu)楣I(yè)化生產的全過程。它包括實驗室研究、模試、中試、設計、技術經濟評價和試生產等許多內容。過程開發(fā)的核心內容是放大。由于化學工程基礎研究的進展和放大經驗的積累，特別是化學反應工程理

5、論的迅速發(fā)展，使得過程開發(fā)能夠按照科學的方法進行。中間試驗不再是盲目地、逐級地，而是有目的地進行?；瘜W工業(yè)過程開發(fā)的一個重要進展是，可以用電子計算機進行數學模擬放大。中間試驗不再像過去那樣只是收集或產生關聯數據的場所，而是檢驗數學模型和設計計算結果的場所?，F代化學工業(yè)過程開發(fā)可以概括為：1利用現有的情報資料、技術數據、同類過程的成熟經驗、小試或模試的實驗結果和化學化工知識，把化學工業(yè)過程抽象為理論模型；2進行工業(yè)裝置的概念設計，并根據概念設計相似縮小為中試裝置；3比較電子計算機的數學模擬和中試結果，反復比較，不斷修正數學模型，使其達到一定精度，用于放大設計。目前化學工業(yè)開發(fā)的趨勢是，不一定進行

6、全流程的中間試驗，對一些非關鍵設備和很有把握的過程不必試驗，有些則可以用計算機在線模擬和控制來代替?，F代的技術進步一日千里。20世紀最后幾十年的發(fā)明和發(fā)現，比過去兩千年的總和還要多?；瘜W工業(yè)也是如此。在這幾十年中，化學工業(yè)在世界范圍取得了長足進展?；瘜W工業(yè)在很大程度上滿足了農業(yè)對化肥和農藥的需要。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，天然纖維已喪失了傳統(tǒng)的主宰地位，人類對纖維的需要有近三分之二是由合成纖維提供的。塑料和合成橡膠滲透到國民經濟的所有部門，在材料工業(yè)中已占據主導地位。醫(yī)藥合成不僅在數量上而且在品種和質量上都有了較大發(fā)展?；瘜W工業(yè)的發(fā)展速度已顯著超過國民經濟的平均發(fā)展速度，化工產值在國民生產總值中所占

7、的比例不斷增加，化學工業(yè)已發(fā)展成為國民經濟的支柱產業(yè)。20世紀70年代后，現代化學工程技術滲入到了各個加工領域，生產技術面貌發(fā)生了顯著變化。化學工業(yè)還同時面臨來自能源、原料和環(huán)保三大方面的挑戰(zhàn)，進入一個新的更為高級的發(fā)展階段。在原料和能源供應日趨緊張的條件下，化學工業(yè)正在通過技術進步盡量減少其對原料和能源的消耗；為了滿足整個社會日益增長的能源需求，化學工業(yè)正在努力提供新的技術手段，用化學的方法為人類提供更新更多的能源；為了自身的發(fā)展，化學工業(yè)正在開辟新的原料來源，為以后的發(fā)展奠定豐富的原料基礎；隨著電子計算機的發(fā)展和應用，化學工業(yè)正在進入高度自動化的階段；一些高新技術，如激光、模擬酶的應用，正

8、在使化學工業(yè)生產的效率顯著提高，技術面貌發(fā)生根本性的變化；由于有了更新的技術手段，化學工業(yè)對環(huán)境的污染進一步得到控制，并將為改善人類的生存條件做出新的貢獻。二、化學工業(yè)發(fā)展伴生的新危險進入20世紀后，化學工業(yè)迅速發(fā)展，環(huán)境污染和重大工業(yè)事故相繼發(fā)生。1930年12月比利時發(fā)生了“馬斯河谷事件”。在馬斯河谷地區(qū)由于鐵工廠、金屬工廠、玻璃廠和鋅冶煉廠排出的污染物被封閉在逆溫層下，濃度急劇增加，使人感到胸痛、呼吸困難，一周之內造成60人死亡，許多家畜也相繼死去。1948年10月美國賓夕法尼亞州的多諾拉，1952年11月英國的倫敦都相繼發(fā)生類似的事件?！皞惗責熿F事件”使倫敦在11月1日至12月12日期

9、間比歷史同期多死亡了35004000人。1961年9月14日日本富山市一家化工廠因管道破裂，氯氣外泄，使九千余人受害，532人中毒，大片農田被毀。1974年英國flixborough地區(qū)化工廠己內酰胺原料環(huán)己烷泄漏發(fā)生的蒸氣云爆炸和1984年印度博帕爾發(fā)生的異氰酸甲酯泄漏所造成的中毒事故，都是震驚世界的災難。1960年到1977年的18年中，美國和西歐發(fā)生重大火災和爆炸事故360余起，死傷1979人，損失數十億美元。我國化學工業(yè)事故也是頻繁發(fā)生，從1950年到1999年的50年中，發(fā)生各類傷亡事故23425起，死傷25714人，其中因火災和爆炸事故死傷4043人。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，涉及到的化

10、學物質的種類和數量顯著增加。很多化工物料的易燃性、反應性和毒性本身決定了化學工業(yè)生產事故的多發(fā)性和嚴重性。反應器、壓力容器的爆炸以及燃燒傳播速度超過聲速的爆轟，都會產生破壞力極強的沖擊波，沖擊波將導致周圍廠房建筑物的倒塌，生產裝置、貯運設施的破壞以及人員的傷亡。如果是室內爆炸，極易引發(fā)二次或二次以上的爆炸，爆炸壓力疊加，可能造成更為嚴重的后果。多數化工物料對人體有害，設備密封不嚴，特別是在間歇操作中泄漏的情況很多，容易造成操作人員的急性或慢性中毒。據我國化工部門統(tǒng)計，因一氧化碳、硫化氫、氮氣、氮氧化物、氨、苯、二氧化碳、二氧化硫、光氣、氯化鋇、氯氣、甲烷、氯乙烯、磷、苯酚、砷化物等16種化學物

11、質造成中毒、窒息的死亡人數占中毒死亡總人數的876。而這些物質在一般化工廠中是常見的。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，化工生產呈現設備多樣化、復雜化以及過程連接管道化的特點。如果管線破裂或設備損壞，會有大量易燃氣體或液體瞬間泄放，迅速蒸發(fā)形成蒸氣云團，與空氣混合達到爆炸下限。云團隨風漂移，飛至居民區(qū)遇明火爆炸，會造成難以想像象的災難。據估計50 t的易燃液體泄漏、蒸發(fā)將會形成直徑為700 m的云團，在其覆蓋下的居民，將會被爆炸火球或擴散的火焰灼傷，火球或火焰的輻射強度將遠遠超過人所能承受的程度，同時還會因缺乏氧氣而使人窒息致死。化工裝置的大型化使大量化學物質都處于工藝過程或貯存狀態(tài)，一些密度比空氣大的液化

12、氣體如氨、氯等，在設備或管道破裂處會以1530角呈錐形擴散，在擴散寬度100 m左右時，人還容易察覺迅速逃離，但在距離較遠而毒氣尚未稀釋到安全值時，人則很難逃離并導致中毒，毒氣影響寬度可達1000 m或更大。前述的印度博帕爾事件造成兩千多人死亡就屬這種情況。三、化學工業(yè)發(fā)展對安全的新要求化工裝置大型化，在基建投資和經濟效益方面的優(yōu)勢是無可爭辯的。但是，大型化是把各種生產過程有機地聯合在一起，輸入輸出都是在管道中進行的。許多裝置互相連接，形成一條很長的生產線。規(guī)模巨大、結構復雜，不再有獨立運轉的裝置，裝置間互相作用、互相制約。這樣就存在許多薄弱環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)變得比較脆弱。為了確保生產裝置的正常運轉

13、并達到規(guī)定目標的產品，裝置的可靠性研究變得越來越重要。所謂可靠性，是指系統(tǒng)設備、元件在規(guī)定的條件下和預定的時間內完成規(guī)定功能的概率?？煽啃匝芯坑玫妮^多的是概率統(tǒng)計方法?；ぱb置可靠性研究，需要完善數學工具，建立化工裝置和生產的模擬系統(tǒng)。概率與數理統(tǒng)計方法，以及系統(tǒng)工程學方法將更多地滲入化工安全研究領域?；ぱb置大型化，加工能力顯著增大，大量化學物質都處在工藝過程中，增加了物料外泄的危險性。化工生產中的物料，多半本身就是能源和毒性源，一旦外泄就會造成重大事故，給生命和財產帶來巨大災難。這就需要對過程物料和裝置結構材料進行更為詳盡地考察，對可能的危險做出準確的評估并采取恰當的對策，對化工裝置的制造加工工藝也提出了更高的要求?；ぐ踩O計在化工設計中變得更加重要?；ぱb置大型化，必然帶來生產的連續(xù)化和操作的集中化，以及全流程的自動控制。省掉了中間貯存環(huán)節(jié)，生產的彈性大大減弱。生產線上每一環(huán)節(jié)的故障都會對全局產生嚴重影響。對工藝設備的處理能力和工藝過程的參數，要求更加嚴格，對控制系統(tǒng)和人員配置的可靠性也提出了更高的要求。新材料的合成、新工藝和新技術的