化工工艺设计节能环保与安全对策探讨

黄承龙

（广西北投化工规划设计院有限公司，广西南宁 530000）

0 引言

随着社会的发展，人们对安全性和环保性的要求越来越高，这给传统化工工艺设计带来了巨大挑战[1]。化工行业作为高危行业，安全事故不仅可能造成人员伤亡和财产损失，还会对环境带来灾难性后果。因此，在新化工工艺设计中，必须充分考虑安全防范与节能环保。本文着重从安全与节能环保两个方面阐述它们在化工工艺设计中应有的地位，提出化工工艺设计过程中可能出现的安全隐患及解决策略，以期为化工企业的安全生产和节能环保提供理论依据。

1 安全与节能环保在化工工艺设计中的重要性

随着原料价格的持续上涨以及国家环保标准的日益严苛化，化工企业面临着节能和降本增效的巨大压力。而作为行业龙头的化工工艺设计，直接关系整个工艺装置系统的最佳性能和安全可控可靠性。

1）安全性直接决定着工艺装置正常长周期和稳定运行[2]。如果安全隐患较多，比如一定压力下的流化床堵塞、高温情况下设备选择不当的热拉伤和褪硫剂失控等问题，都可能引发化学反应失控、急性泄漏或者爆炸事故的发生。这不仅对人员和财产安全造成威胁，还可能引发对周边环境的长期污染。因此，安全问题的防范，必须在工艺设计之初就考虑周全。

2）节能环保关系整个工艺系统的经济效益和企业形象。如果能耗和污染排放较多，生产成本增加，效益降低；企业会受到当地环保机构的严厉处罚和行业内的负面舆论影响。因此，节约能源，降低污染等指标也必须在工艺设计之初考虑。

2 化工工艺设计中的安全问题及应对策略

2.1 反应过程热点控制

在化工工艺反应过程中，由于原料配比、搅拌力量、介质传热性能等多种因素的共同影响，容易在反应釜内部及周边区域形成局部热点。如果处理不当，这些热点很容易积聚大量热量，引发危险的局部过热现象[3-4]，严重时可能导致反应失控、釜体变形、连接管道破裂等安全事故。比较有效的应对策略是采用多重防范技术设置在线热点监测预警系统。第一道防线是计算机辅助工程软件模拟。在工艺设计之初，工程技术人员就可以通过Aspen Plus、CFD 等工艺软件对全流程进行多方案比选分析，直接模拟反应过程中的压力、温度、流速分布情况。以丙烯酸酐水解联合精馏工艺为例，通过设置不同搅拌强度（500 r/min、800 r/min）情景对比，发现在低搅拌力下，反应釜出口处很容易形成140 ℃高温区。第二道防线是红外热像扫描和在线温度测量。通过在反应釜表面设置20个热电偶，实时测量金属表面温度，一旦检测到局部热点（高于其他区域20 ℃），自动启动釜体洒水降温系统；同时，每隔4 h 通过红外热像仪全面扫描一次釜体，直接显示全流程中的热点区域。第三道防线是应急控制措施预案。如果前两道防线失效，必须启动应急程序，立即切断加热蒸汽，同时自动启动高压氮气喷淋系统，在10 s 内将釜内温度压降至安全范围。上述综合防范与控制体系，可有效消除和控制反应釜中的各类热点隐患，确保装置高温高压条件下的长周期安全稳定运行，这是化工工艺设计过程中必须重点考虑和解决的技术难题之一。

2.2 危险化学品泄漏防范

在化工生产系统中，原料、中间体和产品通常属于易燃易爆化学品，一旦发生泄漏，后果极其严重[5]。比如苯、甲苯、二甲苯等都是致癌物质，轻微泄漏都可能污染土壤和地下水；乙二醇、丙二醇等近毒性化学品泄漏后挥发气化，很容易形成爆炸性混合气体等。因此，有效防范化学品泄漏事故的发生，是保障装置安全稳定运行的重中之重。

最关键的两点是杜绝泄漏源头和全程监控预警。①所有与异相接触的结合面必须 100% 密封，防止表面渗透，这需要从根本上改进设备设计，在钢结构焊接工艺上做文章，使用新型不锈钢、哈氏合金等高密度边角焊接材料，并充分考虑温度波动膨胀系数差异，减小热胀冷缩的间隙应力。②对于不可避免的活口如阀门法兰等，必须在正常关闭工况下满足严密性要求（例如离线 0.2 h，压力下降不超过 0.02 MPa），同时还要配置自动化在线监测设备，一旦探测到微小的气相泄漏，立即报警并关闭该管线系统。具体措施有：安装法兰超声波在线检测仪，测量硬质法兰接头表面渗透速率是否超标；设置管道负压波动在线监控仪；优化整套供配电和控制系统，防止运行参数波动引发管网颠簸。上述一系列重点防范和监控手段的有机配合，可有效降低化工装置潜在的泄漏安全隐患，确保系统长周期安全可靠运行。

2.3 管道蚀损实时监测

在高温、强腐蚀介质的长期影响下，管道系统会发生严重的蚀损和腐蚀现象，比如在130 ℃、40 bar 的工况下，含5%浓硫酸的管道腐蚀速率可达每年2 mm。如果不能及时发现管壁渗漏或破裂，就可能发生泄漏事故或导致周围管段连锁疲劳断裂，管道的防蚀设计和实时在线监测等措施就显得尤为重要。

管道的防蚀设计主要从物理屏蔽和腐蚀抑制剂两个方面入手。由于流体直接接触是导致管壁渗透的主要原因，因此需要在流体介质外壁作隔离保护，通常采用内衬连续玻璃钢、再外层包覆聚氨酯塑料抗震泡沫保温材料的多层复合防护结构，避免腐蚀性物质与管壁直接接触；同时也减少管道温度波动引起的可逆应力腐蚀开裂。此外，根据不同介质选择添加不同类型抑制剂，在介质内形成可溶性复合物稳定液相，减缓对管壁的侵蚀破坏作用。针对防蚀设计仍无法完全覆盖的风险点，还需要辅助在线实时监测系统进行早期预警。具体措施例如：在易发生蚀损的管段设置在线电位测量探针和AE 声发射传感器。电位探针实时检测金属离子浓度，一旦发现介质中的 Fe2+、Fe3+离子含量超过 20×10-6，说明管壁已经出现微小渗孔；声发射传感器可以检测出管壁或焊缝处传导的高频应力波信号，监测早期疲劳破损迹象。一旦监测系统检测异常，立即报警严密观察或停产维修。上述防蚀设计和在线监测系统的联合应用，可有效发现和防范管道的内部/外部腐蚀问题，避免这一重要的安全生产薄弱环节成为事故多发点。

3 化工工艺设计中的节能环保问题及应对策略

3.1 工艺过程余热回收

化工工艺系统中含有大量低品位余热，如果不能有效利用，不仅浪费了可贵的能源，还可能导致工艺正常运行的负面影响。因此，合理利用这部分余热，实现节能环保，是工艺优化设计的重要内容。具体技术手段主要从热力学性能提升和复杂能量结构调控两方面进行。

（1）针对不同温度段的余热，选择匹配的高效换热设备。例如，对于250 ℃的中高温余热采用新型强制对流复合式翅片增强管束换热器，较之普通软钢直管式，其换热系数可提高15%；对于较低温度段60～90 ℃ 的余热，则选用高导热性能的涡流圆管式换热器，较之同级翅片管，其余热回收率可提高 5%。

（2）建立余热多级利用的串并联复合体系。按温度从高到低的梯级利用模式，高温余热用于预热反应原料或补充蒸汽；中低温余热用于加热环水给其他工序或居民供暖。例如 140 ℃ 的高温烟气，经过两级余热锅炉和空气预热器后，温度降为 45 ℃，最终可完全满足应用需求。这种串并联的多级复合利用模式，可实现余热的级联、高效应用。

综上，上述技术手段的联合运用，可有效提高化工系统中余热的回收率，达到节能环保的目的，这是今后工艺设计过程中需要重点考虑解决的技术难题。

3.2 生产装置排放治理工艺

化工生产过程中不可避免会产生废气、废水、固体废弃物等污染排放，其中包含的挥发性有机物、恶臭气体、重金属离子、油脂类颗粒物等成分，必须经过严格治理，否则会严重污染大气、水体、土壤环境。因此，配套完善的排放治理工艺，是实现节能环保的重要保障。

典型工艺系统的治理措施可从端到端全面覆盖。对于废气污染，关键技术手段有：设置多组丝网过滤器，高效脱除颗粒物；配置活性炭精菌复合吸附装置，深度净化非甲烷总烃；采用低温等离子体氧化装置，高效脱硫、脱臭。实践表明，该套组合工艺处置后，废气中颗粒物浓度由 32 mg/m³ 降至 8 mg/m³，总烃浓度由 2 856 mg/m³ 降至 152 mg/m³（表1），达标排放。对于含油废水治理，则需要设置 DAF 溶气浮选、生物膜法深度处理等组合工艺，最终可降低化学需氧量至国家一级排放标准。对于固废和半固废，则需要配套装卸封闭系统、防渗堆存、规范处置的全流程管控，从源头上杜绝二次污染。

表1 某装置治理前后主要污染因子浓度变化对比

上述端到端的治理工艺系统建设，是实现环保化工、绿色环境的有效技术手段，值得在工艺优化设计过程中予以重点关注和大量投入。

3.3 在线监测与优化模型构建

随着国家节能减排政策的持续推进，化工工艺领域对减少污染物排放和有效节约能耗也提出了更高的要求。然而许多化工企业由于存在工艺过程监测与优化水平低下的问题而难以实现节能减排目标。具体典型问题包括：①反应釜、储罐等关键设备无法实现温度、压力、液位等参数的在线实时监测，严重制约了对工艺过程的闭环控制与优化；②缺乏科学合理的数学模型对工艺流程进行模拟预测和动态优化，导致系统长期在非最优稳定点附近波动运行，排放和能耗指标居高不下。

为解决上述问题，本研究提出如下工艺过程中的在线监测与优化模型建立策略。①充分利用DCS 中存储的大量过程数据（例如温度、pH、流量、压力等），利用偏最小二乘法、神经网络等建立数据驱动的软测量模型，实现污染因子例如余氯（0.5 ～2 mg/L）、甲醛（0.1 ～0.5 mg/L）的在线预测，为后续环保设备优化提供依据；②通过CFD 动力学模型模拟反应釜内部流场特性，预测热点区域生成和温度分布演化；③结合六西格玛法则的应力分析优化搅拌速率参数，有效改善反应均匀性，降低局部过热的可能性，可减少反应失控和安全事故的发生，降低能耗损耗。上述软硬监测手段有机结合，可全面提升过程质量监测与动态优化水平，实现能源利用效率最大化和污染物产生最小化，助力工艺系统的节能减排与优化升级，值得进一步推广应用。

4 结语

在本文中，我们探讨了化工工艺设计中安全与节能环保的重要性及其应对策略。随着社会对安全性和环保性要求的提高，化工企业面临着巨大的挑战。为了确保安全生产和节能环保，需要在工艺设计阶段充分考虑这两个方面。本文分析了化工工艺设计中可能出现的安全隐患及解决策略，并讨论了工艺设计中的节能环保问题和应对措施。通过实施有效的安全防范措施，如反应过程热点控制、危险化学品泄漏防范和管道蚀损实时监测等，可以降低化工生产过程中的安全风险。同时，通过工艺过程余热回收、生产装置排放治理工艺以及在线监测与优化模型构建等方法，可以提高化工工艺的节能环保性能。总之，化工工艺设计中的安全与节能环保问题至关重要，需要工程技术人员的高度重视。通过采取有效的策略和措施，我们可以实现化工企业的安全生产和节能环保目标，为可持续发展作出贡献。