化學(xué)工業(yè)發(fā)展與對安全的新要求

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

2、基礎(chǔ)原料的煤化學(xué)工業(yè)相比，煉油業(yè)的化學(xué)背景不那么復(fù)雜多樣化，因此有可能也有必要進(jìn)行工業(yè)過程本身的研究，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要。這就是在美國產(chǎn)生以“單元操作”為主要標(biāo)志的現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的背景。1888年，美國麻省理工學(xué)院開設(shè)了世界上最早的化學(xué)工程專業(yè)，接著，賓夕法尼亞大學(xué)、土倫大學(xué)和密執(zhí)安大學(xué)也先后設(shè)置了化學(xué)工程專業(yè)。這個時期化學(xué)工程教育的基本內(nèi)容是工業(yè)化學(xué)和機(jī)械工程。1915年12月麻省理工學(xué)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(jì)20年代石油化學(xué)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(xué)機(jī)械從純機(jī)械時代進(jìn)入以單元操作為基礎(chǔ)的化工機(jī)

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(xiàn)。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(dá)1000：1或更高一些。這就要求依靠更加堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)形式表達(dá)單元操作的理論。曼哈頓工程的成功大大促進(jìn)了單元操作在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用。50年代中期提出了傳遞過程原理，把化學(xué)工業(yè)中的單元操作進(jìn)一步解析為三種基本操作過程，即動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞以及三者之間的聯(lián)系。同時在反應(yīng)過程中把化

4、學(xué)反應(yīng)與上述三種傳遞過程一并研究，用數(shù)學(xué)模型描述過程。連同電子計算機(jī)的應(yīng)用以及化工系統(tǒng)工程學(xué)的興起，使得化學(xué)工業(yè)發(fā)展進(jìn)入更加理性、更加科學(xué)化的時期。20世紀(jì)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(xiàn)，以及大型離心壓縮機(jī)的研究成功，開始了化工裝置大型化的進(jìn)程，把化學(xué)工業(yè)推向一個新的高度。此后，化學(xué)工業(yè)過程開發(fā)周期已能縮短至45年，放大倍數(shù)達(dá)50020000倍?；瘜W(xué)工業(yè)過程開發(fā)是指把化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)化生產(chǎn)的全過程。它包括實(shí)驗(yàn)室研究、模試、中試、設(shè)計、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價和試生產(chǎn)等許多內(nèi)容。過程開發(fā)的核心內(nèi)容是放大。由于化學(xué)工程基礎(chǔ)研究的進(jìn)展和放大經(jīng)驗(yàn)的積累，特別是化學(xué)反應(yīng)工程理

5、論的迅速發(fā)展，使得過程開發(fā)能夠按照科學(xué)的方法進(jìn)行。中間試驗(yàn)不再是盲目地、逐級地，而是有目的地進(jìn)行?；瘜W(xué)工業(yè)過程開發(fā)的一個重要進(jìn)展是，可以用電子計算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬放大。中間試驗(yàn)不再像過去那樣只是收集或產(chǎn)生關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的場所，而是檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和設(shè)計計算結(jié)果的場所。現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)過程開發(fā)可以概括為：1利用現(xiàn)有的情報資料、技術(shù)數(shù)據(jù)、同類過程的成熟經(jīng)驗(yàn)、小試或模試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和化學(xué)化工知識，把化學(xué)工業(yè)過程抽象為理論模型；2進(jìn)行工業(yè)裝置的概念設(shè)計，并根據(jù)概念設(shè)計相似縮小為中試裝置；3比較電子計算機(jī)的數(shù)學(xué)模擬和中試結(jié)果，反復(fù)比較，不斷修正數(shù)學(xué)模型，使其達(dá)到一定精度，用于放大設(shè)計。目前化學(xué)工業(yè)開發(fā)的趨勢是，不一定進(jìn)行

6、全流程的中間試驗(yàn)，對一些非關(guān)鍵設(shè)備和很有把握的過程不必試驗(yàn)，有些則可以用計算機(jī)在線模擬和控制來代替?，F(xiàn)代的技術(shù)進(jìn)步一日千里。20世紀(jì)最后幾十年的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，比過去兩千年的總和還要多?；瘜W(xué)工業(yè)也是如此。在這幾十年中，化學(xué)工業(yè)在世界范圍取得了長足進(jìn)展。化學(xué)工業(yè)在很大程度上滿足了農(nóng)業(yè)對化肥和農(nóng)藥的需要。隨著化學(xué)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(jīng)濟(jì)的所有部門，在材料工業(yè)中已占據(jù)主導(dǎo)地位。醫(yī)藥合成不僅在數(shù)量上而且在品種和質(zhì)量上都有了較大發(fā)展?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展速度已顯著超過國民經(jīng)濟(jì)的平均發(fā)展速度，化工產(chǎn)值在國民生產(chǎn)總值中所占

7、的比例不斷增加，化學(xué)工業(yè)已發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)70年代后，現(xiàn)代化學(xué)工程技術(shù)滲入到了各個加工領(lǐng)域，生產(chǎn)技術(shù)面貌發(fā)生了顯著變化。化學(xué)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(jìn)入一個新的更為高級的發(fā)展階段。在原料和能源供應(yīng)日趨緊張的條件下，化學(xué)工業(yè)正在通過技術(shù)進(jìn)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(xué)工業(yè)正在努力提供新的技術(shù)手段，用化學(xué)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(xué)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(chǔ)；隨著電子計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)正在進(jìn)入高度自動化的階段；一些高新技術(shù)，如激光、模擬酶的應(yīng)用，正

8、在使化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的效率顯著提高，技術(shù)面貌發(fā)生根本性的變化；由于有了更新的技術(shù)手段，化學(xué)工業(yè)對環(huán)境的污染進(jìn)一步得到控制，并將為改善人類的生存條件做出新的貢獻(xiàn)。二、化學(xué)工業(yè)發(fā)展伴生的新危險進(jìn)入20世紀(jì)后，化學(xué)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(nèi)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?zé)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(nóng)田被毀。1974年英國flixborough地區(qū)化工廠己內(nèi)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(zāi)難。1960年到1977年的18年中，美國和西歐發(fā)生重大火災(zāi)和爆炸事故360余起，死傷1979人，損失數(shù)十億美元。我國化學(xué)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(zāi)和爆炸事故死傷4043人。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，涉及到的化

10、學(xué)物質(zhì)的種類和數(shù)量顯著增加。很多化工物料的易燃性、反應(yīng)性和毒性本身決定了化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)事故的多發(fā)性和嚴(yán)重性。反應(yīng)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(chǎn)生破壞力極強(qiáng)的沖擊波，沖擊波將導(dǎo)致周圍廠房建筑物的倒塌，生產(chǎn)裝置、貯運(yùn)設(shè)施的破壞以及人員的傷亡。如果是室內(nèi)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(yán)重的后果。多數(shù)化工物料對人體有害，設(shè)備密封不嚴(yán)，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(jù)我國化工部門統(tǒng)計，因一氧化碳、硫化氫、氮?dú)狻⒌趸?、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(xué)物

11、質(zhì)造成中毒、窒息的死亡人數(shù)占中毒死亡總?cè)藬?shù)的876。而這些物質(zhì)在一般化工廠中是常見的。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，化工生產(chǎn)呈現(xiàn)設(shè)備多樣化、復(fù)雜化以及過程連接管道化的特點(diǎn)。如果管線破裂或設(shè)備損壞，會有大量易燃?xì)怏w或液體瞬間泄放，迅速蒸發(fā)形成蒸氣云團(tuán)，與空氣混合達(dá)到爆炸下限。云團(tuán)隨風(fēng)漂移，飛至居民區(qū)遇明火爆炸，會造成難以想像象的災(zāi)難。據(jù)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(tuán)，在其覆蓋下的居民，將會被爆炸火球或擴(kuò)散的火焰灼傷，火球或火焰的輻射強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)物質(zhì)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(shè)備或管道破裂處會以1530角呈錐形擴(kuò)散，在擴(kuò)散寬度100 m左右時，人還容易察覺迅速逃離，但在距離較遠(yuǎn)而毒氣尚未稀釋到安全值時，人則很難逃離并導(dǎo)致中毒，毒氣影響寬度可達(dá)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(xué)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(jīng)濟(jì)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(chǎn)過程有機(jī)地聯(lián)合在一起，輸入輸出都是在管道中進(jìn)行的。許多裝置互相連接，形成一條很長的生產(chǎn)線。規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不再有獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)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(chǎn)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)

13、并達(dá)到規(guī)定目標(biāo)的產(chǎn)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(shè)備、元件在規(guī)定的條件下和預(yù)定的時間內(nèi)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。化工裝置可靠性研究，需要完善數(shù)學(xué)工具，建立化工裝置和生產(chǎn)的模擬系統(tǒng)。概率與數(shù)理統(tǒng)計方法，以及系統(tǒng)工程學(xué)方法將更多地滲入化工安全研究領(lǐng)域。化工裝置大型化，加工能力顯著增大，大量化學(xué)物質(zhì)都處在工藝過程中，增加了物料外泄的危險性?；どa(chǎn)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(chǎn)帶來巨大災(zāi)難。這就需要對過程物料和裝置結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行更為詳盡地考察，對可能的危險做出準(zhǔn)確的評估并采取恰當(dāng)?shù)膶Σ?，對化工裝置的制造加工工藝也提出了更高的要求?；ぐ踩O(shè)計在化工設(shè)計中變得更加重要?；ぱb置大型化，必然帶來生產(chǎn)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(chǎn)的彈性大大減弱。生產(chǎn)線上每一環(huán)節(jié)的故障都會對全局產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對工藝設(shè)備的處理能力和工藝過程的參數(shù)，要求更加嚴(yán)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(shù)的