工艺流程设计对化工装置安全性的量化影响分析

马建 2026-07-29

本文以硝酸胍生产为例，构建 AHP-FTA 量化评估模型，分析工艺流程设计对安全性的影响。优化后装置综合安全评分提升 36%，风险降低 98.6%。

本文结合企业氰胺下游产品生产实例，探讨工艺流程设计对化工装置安全性的量化影响机制，通过分析硝酸胍合成过程中的化学反应机理，识别工艺风险源，构建基于层次分析法与事故树分析的安全性量化评估模型。

研究表明，优化后的工艺流程设计可将装置综合安全评分提升约30%，非计划停车次数下降42%。综合而言，本文从化学原理、工艺参数、设备选型与控制策略等多维度明确提升化工装置安全性的路径，可以为硝酸胍及类似高风险化工过程绿色安全设计提供一定参考与借鉴。

本文刊登于PROCESS《流程工业》2026年第7期，原文标题《工艺流程设计对化工装置安全性的量化影响分析》。本文作者马建，供职于宁夏贝利特生物科技有限公司。

本文被引格式 [1]马建.工艺流程设计对化工装置安全性的量化影响分析[J].流程工业,2026,(7)12-14.欢迎引用。

化学工业是国民经济的重要支柱产业，实际生产过程常涉及高温、高压、易燃、易爆及有毒有害物质，潜在风险比较大，而较多化工事故的根源又可追溯至工艺流程设计阶段，从设计源头对安全风险进行量化分析与控制是实现化工装置长周期安全稳定运行的关键。

硝酸胍是一类非常重要的氰胺下游产品，亦是硝基胍等化学品的关键原料，合成工艺涉及高温熔融及不稳定物料，对工艺设计安全性所提要求非常高。作为国内氰胺产业链的核心企业之一，贝利特化学股份有限公司（以下简称贝利特）产品包括新烟碱类杀虫剂中间体、双氰胺、硝酸胍等高附加值化学品，实际生产过程涉及硝化等多种高危单元操作，是研究工艺流程设计安全性的典型案例。本文以贝利特硝酸胍生产为例，分析其工艺流程设计对化工装置安全性的量化影响，以期对氰胺下游产业高质量与安全发展形成推动。

1 硝酸胍生产工艺原理与风险分析

1.1硝酸胍合成反应原理与特性

本项目硝酸胍合成采用硝酸铵、双氰胺与碳酸铵的熔融反应工艺，本质即固相物料在熔融状态下发生复合分解与重组反应，生成目标产物硝酸胍。应用管式连续反应器，可将该过程实现从间歇到连续的强化。

1.2基于反应机理的工艺风险辨识

1.2.1热力学与热失控风险

主反应为放热反应，当操作温度为180～190℃时，硝酸铵、双氰胺等原料及中间产物均具有热不稳定性，一旦反应体系局部过热或移热不足，可能引发以下连锁风险：（1）硝酸铵加速分解，硝酸铵在接近200℃时可发生剧烈分解，产生氮氧化物、水蒸气等气体，导致体系压力骤升；

（2）反应选择性下降，副反应加剧，高温可能改变目标反应路径，生成不稳定或具爆炸性的副产物；

（3）熔融物沸溢或分解，体系热量积聚可能使熔融硝酸胍局部沸腾或剧烈分解。

1.2.2物料危险性与配伍风险

从物料危险性上来看，硝酸铵是强氧化剂，受热易分解，与可燃物（如有机物）混合可形成爆炸性混合物；双氰胺在高温下可发生分解；硝酸胍产物本身为氧化性物质，受热易分解。

从配伍风险上来看，包括固态原料（硝酸铵、双氰胺、碳酸铵）在混合、输送过程中可能因摩擦、静电积聚等出现放热或局部反应。

1.2.3工艺过程操作风险

（1）堵塞风险，如果温度控制不当，熔融物料在输送或冷却环节会有较大可能凝固，由此造成设备或管道堵塞；

（2）腐蚀风险，反应介质在高温下可能腐蚀设备材质；

（3）粉尘风险，原料（双氰胺、硝酸铵、碳酸铵）的粉碎、输送环节可能产生粉尘，存在粉尘燃爆风险。

2 工艺流程安全性量化评估模型构建

为了评估工艺流程设计对化工装置安全性的影响，本文构建多层次量化评估模型。

2.1评估指标体系建立

本文遵循本质安全的原则，从工艺、设备、控制、管理四个维度选取12项关键指标构建层次结构模型。其中，目标层为工艺流程综合安全水平；准则层包括工艺固有安全性（P1）、设备可靠性（P2）、控制系统效能（P3）、应急与维护（P4）；指标层包括反应热强度、物料存量、联锁覆盖率、腐蚀速率等具体参数。

图1 硝酸胍管式反应器热分解/超压爆炸事故树示意图

2.2基于事故树分析的关键风险路径量化

对于硝酸胍管式反应器热分解/超压爆炸这一顶事件，构建事故树如图1所示。

运用布尔代数计算最小割集共12个，其中一阶最小割集2个，分别如下。

M1：紧急泄放与淬灭系统完全失效；

M2：冷却系统（导热油）完全中断且温度高高联锁（TAHH）失效；

M3：原料进料流量失控（远超设定值）且流量高高联锁（FIAHH）失效。

对各基本事件的结构重要度与概率重要度进行计算，发现冷却中断与进料失控是事故发生的最敏感因素。

根据定量计算，优化前该顶事件的发生概率约为Pprior=2.8×10-4/年。

3工艺流程优化设计与安全性提升的量化验证

基于以上风险分析，贝利特对原有硝酸胍工艺进行优化，同时量化比较安全提升效果。

3.1工艺优化方案

3.1.1过程连续化与强化

将原有或潜在的间歇熔融反应工艺升级为管式（螺杆）连续反应工艺，以此提升传质传热效率，显著减少物料在线存量，精确控制反应停留时间（约35 min），从根本上消除间歇釜式反应中因加料、保温带来的热量累积与温度波动风险。

3.1.2设备升级与材质优化

一方面，采用内部带夹套螺杆的管式反应器，换热面积大，温度控制精准；另一方面，针对高温下硝酸根、铵根及可能产生的微量酸性物质的腐蚀性，主体反应及输送设备材质从普通不锈钢升级为耐腐蚀性能更加优异的合金（如316L或更高等级不锈钢），以此实现对局部腐蚀与应力腐蚀开裂的有效抵抗。

3.1.3控制策略与安全仪表系统强化

在关键管式反应器各温度控制段增设多点温度监测与超限报警系统，对进料螺旋输送机进行精确计量与速度联锁。另外，根据IEC 61511标准对反应器温度高高联锁（TAHH）及进料流量高高联锁（FIAHH）回路进行SIL定级，将其从SIL 1提升至SIL 2，要求其危险失效平均概率在1×10-2以内。

3.2安全性提升量化分析

通过模拟计算与工程分析，贝利特对优化前后装置的安全性进行量化比较，所得结果如表1所示。

表1 硝酸胍生产线工艺优化前后关键安全指标对比

该表体现了间歇工艺改变为管式连续工艺的安全优势，如在线物料量锐减、停留时间缩短、控制精度提高等，另外，材质升级还能降低设备腐蚀速率，最终综合安全评分提升36.2%。

另外，针对反应器热分解/超压爆炸这一事故树顶事件，优化后基于过程连续化、在线物料量减少、控制与联锁等级提升，基本事件概率下降。经重新计算，优化后顶事件发生概率Ppost=4.0×10-6/年，风险降低幅度达98.6%。表2所示为工艺优化对综合安全评分及各准则层贡献度的提升效果。

表2 工艺优化对综合安全评分及各准则层贡献度的提升效果

该表反映了工艺优化对各安全维度的提升效果，由于连续化改造，工艺固有安全性得分提升最为明显，对总分的贡献度变化亦最高（14.7%），表明从工艺源头进行本质安全设计具有决定性作用。

3.3工程应用与预期效果

基于上述优化设计，硝酸胍生产装置（年产4万t）在工程设计阶段即提升本质安全水平，预期效果如下：

（1）因反应器在线物料量极少，潜在事故规模受限；

（2）连续化与自动化操作减少人为干预与失误；

（3）增强的联锁系统能更可靠地中断偏差，防止事故升级。

综合而言，该设计能够为装置投产后长周期与低故障率安全稳定运行奠定坚实基础。

4 结论

本文对化学工程原理与安全系统工程方法进行融合，论证工艺流程设计对化工装置安全性的影响，结合贝利特硝酸胍生产实例进行量化分析，得出以下研究结论：

（1）从工艺路径选择出发进行优化（如连续化、过程强化）是提升装置本质安全性的根本途径，可显著降低在线物料存量、缩短停留时间、提高控制精度，从源头削弱风险驱动力。

（2）AHP-FTA量化评估模型可有效识别工艺安全薄弱环节，量化改进效果。

（3）系统性工艺优化可将装置综合安全评分提升36%以上，特定重大事故场景风险降低达98.6%。

（4）设备材质升级与高可靠性安全仪表系统的应用可以为工艺安全纵深防御体系的构建提供保障。

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