郭 凡 於孝春 袁東明

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

己內酰胺是現(xiàn)代制造工業(yè)中化纖和工程塑料的重要原料[1]，其主要用途是通過聚合生成尼龍或錦綸，進一步加工成工程塑料及塑料薄膜等。隨著己內酰胺生產需求量的增大，越來越多的廠家建立己內酰胺生產車間，裝置風險也隨之增加，因此盡可能地降低火災、爆炸事故的發(fā)生已經迫在眉睫。HPO法是目前應用最廣泛的己內酰胺合成工藝，其產流程主要包括環(huán)己酮制備、環(huán)己酮肟化和重排3大工序。針對某公司的HPO法己內酰胺合成工藝，分析其生產過程中工藝、設備和物質的險性，利用道化學(DOW)火災、爆炸指數(shù)評價方法對整個裝置、生產過程進行安全評價，找到存在較大風險的單元，及時采取補償措施，盡可能地減少事故的發(fā)生，減少盲目性，保證生產有條穩(wěn)步地進行，保障人身安全，減少企業(yè)的經濟損失[2～4]。

1 己內酰胺工藝過程火災、爆炸危險性分析

己內酰胺裝置在生產過程中涉及到的物質主要有環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇、環(huán)己酮肟及己內酰胺等，生產過程中涉及到的主要危險物品主要有苯、甲苯、氫氣、氮氣、氨水、發(fā)煙硫酸、廢堿液及焦油等。己內酰胺生產過程中易燃、易爆、有毒物質繁多，結合己內酰胺整套裝置的生產過程特點，筆者從以下幾個方面分析工藝和設備存在的主要危險因素[5]：

a. 己內酰胺生產裝置中設備繁多，工程工藝先進，生產工序非常復雜，充分體現(xiàn)了高度自動化、密閉化和連續(xù)化的特點。但一旦某一部件發(fā)生失效故障，不僅給企業(yè)帶來停產困擾，更有可能對人員和財產造成極大損失。

b. 每個單元的生產設備繁多，極易出現(xiàn)操作上的紕漏，如設備的溫度及壓力等參數(shù)控制不當，就會造成反應失控；聯(lián)鎖和監(jiān)測儀器運行不當，部件失靈無法保證安全生產；設備不及時檢修就會忽略各種失效跡象，導致設備發(fā)生泄漏等危險，造成無法預測的損失。

c. 生產過程中涉及的工藝介質多種多樣，產品和中間物質多數(shù)具有揮發(fā)性及毒性等，若工藝參數(shù)控制不當，極易引發(fā)重大事故，如發(fā)煙硫酸和堿液的濃度超過一定濃度時，會嚴重腐蝕設備，甚至污染環(huán)境。

d. 生產作業(yè)場所人員的違規(guī)操作活動。一些突發(fā)事故(如停水、停電等)發(fā)生時，操作人員的違規(guī)操作也會造成火災、爆炸及中毒等事故的發(fā)生。

e. 整套己內酰胺裝置的管道、儲罐和貯槽很多，長期操作過程中，在熱力、應力和環(huán)境的共同作用下，也會發(fā)生失效故障。

2 DOW火災、爆炸指數(shù)法評價

2.1 選取評價單元

筆者僅選取苯加氫反應單元、環(huán)己烷氧化分解反應單元、羥胺制備單元、氨氧化單元、肟化反應單元和環(huán)己酮肟重排單元為評價對象：

a. 苯加氫反應單元。該單元主要危險物質為氫氣、苯及輕油等，屬于高溫高壓過程，操作溫度為573℃，操作壓力為3 400kPa。

b. 環(huán)己烷氧化分解反應單元。該單元主要是將環(huán)己烷氧化成環(huán)己基過氧化氫，在催化劑作用下分解為粗醇酮物質，副產品是有機酸，具有腐蝕性，屬于易燃易爆過程，操作溫度為473℃ ，操作壓力約為611kPa[6,7]。

c. 氨氧化單元。該單元主要是對煤氣中所含的氨進行回收，主要危險物質為煤氣，屬于常溫常壓過程。

d. 羥胺制備單元。該單元的主要物質是氨氣、氨水、磷酸、硝酸及氫氣等，屬于腐蝕環(huán)境，反應要求達到2 650kPa的操作條件，溫度為55℃，反應異常時，危險性很大。

e. 肟化反應單元。該單元中環(huán)己酮在甲苯溶液中與磷酸、羥胺進行肟化反應，生成環(huán)己酮肟，反應溫度為50℃，危險物質為甲苯及環(huán)己酮等，溫度控制嚴格，極易結晶堵塞。

f. 環(huán)己酮肟重排單元。該單元的主要介質為發(fā)煙硫酸、轉位酯、肟及SO3等，處于腐蝕環(huán)境，溫度165℃，壓力1 480kPa，極易發(fā)生副反應失控，危險性大[8]。

上述6個單元的物質危險特性與主要設備見表1、2。

表1 物質危險特性

*空氣的相對密度為1。

表2 評價單元的主要設備

2.2 評價單元物質系數(shù)MF確定

計算火災、爆炸指數(shù)的及評價其他危險性時，物質系數(shù)MF是最基礎的參數(shù)，對照DOW指數(shù)法的物質系數(shù)和特性表，確定評價單元的危險物質分量和系數(shù)：

a. 苯加氫反應單元。該單元的主要物質為苯和氫氣，苯的危險性大、燃燒熱值高、含量大，故選取苯為重要物質，其物質系數(shù)為1。

b. 環(huán)己烷氧化分解反應單元。該單元的主要物質為環(huán)己烷和氧氣，環(huán)己烷為危險物質，其物質系數(shù)為16。

c. 羥胺制備單元。該單元的主要物質為銨根、磷酸和羥胺，磷酸為中弱酸，不易燃，可以忽略，故取羥胺為重要物質，其物質系數(shù)為29。

d. 氨氧化技術單元。該單元的主要物質為氨氣和氧氣，氨氣占最大比例，危險性較大，故選取氨為重要物質，其物質系數(shù)為4。

e. 肟化反應單元。該單元的主要物質為環(huán)己酮，故選取環(huán)己酮為重要物質，其物質系數(shù)為14。

f. 環(huán)己酮肟重排單元。該單元的主要物質為己內酰胺，故取己內酰胺為重要物質，其物質系數(shù)為14。

2.3 確定評價對象單元工藝危險系數(shù)F3

確定工藝單元危險系數(shù)F3時，需要分別確定一般工藝危險性系數(shù)F1和特殊工藝危險性系數(shù)F2。一般工藝危險性是確定事故危險程度的主要因素，主要包括放熱反應、吸熱反應、物質貯藏與輸送、封閉結構、通道和排放、泄漏(表3)。特殊工藝危險性是導致事故發(fā)生的主要因素，主要包括毒性物質、負壓操作、在爆炸極限范圍內或其附近操作、粉塵爆炸、壓力釋放、低溫、易燃物質與不穩(wěn)定物質數(shù)量、腐蝕、明火設備、熱油交換系統(tǒng)、轉動設備和軸封與接頭處的泄漏共12項內容(表4)。

表3 評價單元一般工藝危險系數(shù)F1

表4 評價單元特殊工藝危險系數(shù)F2

評價單元危險系數(shù)F3是一般工藝危險系數(shù)F1與特殊工藝危險系數(shù)F2的乘積，即F3=F1×F2。經計算每個評價單元的危險系數(shù)F3依次為12.600、10.586、5.310、6.300、10.452、5.436。

2.4 計算火災、爆炸指數(shù)(F&EI)

火災、爆炸指數(shù)是用來估算己內酰胺裝置在生產過程中發(fā)生事故后可能造成的破壞狀況，是物質系數(shù)MF與單元危險系數(shù)F3的乘積，即F&EI=MF×F3。F&EI危險等級和評價單元危險等級見表5、6。

表5 F&EI危險等級

表6 評價單元F&EI危險等級

從表6中所列的數(shù)據(jù)可以看出：苯加氫反應單元，環(huán)己烷氧化分解反應單元，氨氧化單元和肟化反應單元的火災、爆炸指數(shù)F&EI的值很高，危險等級為非常大和很大，使生產裝置的潛在風險性極高。因此需提出安全措施對其進行補償修正，以降低風險等級[8]。

2.5 安全措施補償系數(shù)

安全措施主要分為工藝控制、物質隔離和防火措施，補償系數(shù)分別為C1、C2、C3(表7～9)，安全補償系數(shù)C=C1×C2×C3。對每個評價單元進行補償修正后，可根據(jù)F&EI-1=F&EI×C得到新的F&EI等級(表10)。

表7 工藝控制安全補償系數(shù)C1

表8 工藝控制安全補償系數(shù)C2

表9 防火措施安全補償系數(shù)C3

表10 評價單元進行補償修正后新的F&EI等級

從表7～9可以看出：抑爆措施、冷卻裝置、連鎖裝置、消防系統(tǒng)及檢測泄漏裝置等為主要補償措施[10]。因此在生產區(qū)域、裝置和建筑物間均需設置足夠的防火安全間距，道路需要根據(jù)消防車對通道的要求進行設計與布置；產生燃爆性氣體和粉塵的廠房內需采取相應的通風、除塵措施，以降低爆炸性物質濃度，使其低于燃爆下限；存在易燃、易爆物質的設備和管道需采取相應的防靜電措施；設置超壓報警、安全連鎖和自動切斷煤氣裝置；易爆設備和管線進行開、停機時需設有蒸汽吹掃裝置；消防系統(tǒng)應設專用消防給泵，以保證消防時的水壓、水量要求，室內、外按消防規(guī)范設置消火栓、干粉滅火器及手提式磷酸銨鹽滅火器等；應保證系統(tǒng)各冷卻系統(tǒng)正常運行，冷卻水循環(huán)合理；需定期檢測設備安全狀況，保證液位、溫度及壓力等參數(shù)穩(wěn)定。

經過上述補償修正后，苯加氫反應單元、環(huán)己烷氧化分解反應單元、氨氧化單元和肟化反應單元的F&EI變小，F(xiàn)&EI等級變?yōu)橹械任ｋU等級，造成的危險性也減小，為裝置的安全運行提供了可靠保障。

3 結束語

結合己內酰胺整套裝置的生產過程特點，分析了工藝和設備存在的主要危險因素，以主要單元的工藝特點和物質特性為危險性分析對象，利用DOW指數(shù)法進行評價、分析，并從安全措施入手降低單元的風險等級，為裝置的安全運行提供了可靠保障，以便于開展后續(xù)的裝置完整性分析與管理工作。

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