20世纪70年代后,现代化学工程技术渗入到了各个加工领域,生产技术面貌发生了显著变化。化学工业还同时面临来自能源、原料和环保三大方面的挑战,进入一个新的更为高级的发展阶段。
在原料和能源供应日趋紧张的条件下,化学工业正在通过技术进步尽量减少其对原料和能源的消耗;为了满足整个社会日益增长的能源需求,化学工业正在努力提供新的技术手段,用化学的方法为人类提供更新更多的能源;为了自身的发展,化学工业正在开辟新的原料来源,为以后的发展奠定丰富的原料基础;随着电子计算机的发展和应用,化学工业正在进入高度自动化的阶段;一些高新技术,如激光、模拟酶的应用,正在使化学工业生产的效率显著提高,技术面貌发生根本性的变化;由于有了更新的技术手段,化学工业对环境的污染进一步得到控制,并将为改善人类的生存条件做出新的贡献。
二、化学工业发展伴生的新危险
进入20世纪后,化学工业迅速发展,环境污染和重大工业事故相继发生。1930年12月比利时发生了“马斯河谷事件”。在马斯河谷地区由于铁工厂、金属工厂、玻璃厂和锌冶炼厂排出的污染物被封闭在逆温层下,浓度急剧增加,使人感到胸痛、呼吸困难,一周之内造成60人死亡,许多家畜也相继死去。1948年10月美国宾夕法尼亚州的多诺拉,1952年11月英国的伦敦都相继发生类似的事件。“伦敦烟雾事件”使伦敦在11月1日至12月12日期间比历史同期多死亡了3500~4000人。1961年9月14日日本富山市一家化工厂因管道破裂,氯气外泄,使九千余人受害,532人中毒,大片农田被毁。1974年英国Flixborough地区化工厂己内酰胺原料环己烷泄漏发生的蒸气云爆炸和1984年印度博帕尔发生的异氰酸甲酯泄漏所造成的中毒事故,都是震惊世界的灾难。1960年到1977年的18年中,美国和西欧发生重大火灾和爆炸事故360余起,死伤1979人,损失数十亿美元。我国化学工业事故也是频繁发生,从1950年到1999年的50年中,发生各类伤亡事故23425起,死伤25714人,其中因火灾和爆炸事故死伤4043人。
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的爆轰,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。如果是室内爆炸,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、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,会造成难以想像象的灾难。据估计50 t的易燃液体泄漏、蒸发将会形成直径为700 m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100 m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1000 m或更大。前述的印度博帕尔事件造成两千多人死亡就属这种情况。
三、化学工业发展对安全的新要求
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。所谓可靠性,是指系统设备、元件在规定的条件下和预定的时间内完成规定功能的概率。可靠性研究用的较多的是概率统计方法。化工装置可靠性研究,需要完善数学工具,建立化工装置和生产的模拟系统。概率与数理统计方法,以及系统工程学方法将更多地渗入化工安全研究领域。
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。
化工装置大型化,必然带来生产的连续化和操作的集中化,以及全流程的自动控制。省掉了中间贮存环节,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严重影响。对工艺设备的处理能力和工艺过程的参数,要求更加严格,对控制系统和人员配置的可靠性也提出了更高的要求。
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。面临从未经验过的新的工艺过程和新的操作,更加需要辨识危险,对危险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。对危险进行辨识和评价的安全评价技术的重要性越来越突出。
化学工业的技术进步,为满足人类的食、衣、住、行等诸方面的需求做出了重要贡献。但作为负面结果,在化学工业生产过程中也出现了新的危险性。化工安全必须采用新的理论方法和新的技术手段应对化学工业生产中出现的新的隐患,与化学工业同步发展。