劉沙沙，畢 穎

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 1110142)

甲醇,作為一種重要的化工原料，被廣泛地應(yīng)用于化工領(lǐng)域。由于甲醇化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，加上工業(yè)生產(chǎn)中工藝流程復(fù)雜，工作條件特殊，產(chǎn)品危險(xiǎn)性大，容易造成中毒、火災(zāi)、爆炸等重大工業(yè)事故，輕者造成財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重時(shí)危及人類的生命。因此，為降低或避免事故的發(fā)生，開(kāi)展系統(tǒng)的危險(xiǎn)源辯識(shí)，并對(duì)重大危險(xiǎn)因素進(jìn)行模擬有重大的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

開(kāi)展化工行業(yè)工藝操作及工藝流程的危險(xiǎn)源辨識(shí)，國(guó)內(nèi)外研究者提出了多種安全評(píng)價(jià)分析方法。例如，故障類型和影響分析、預(yù)先危害分析、火災(zāi)爆炸指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)、危險(xiǎn)性與可操作性(HAZOP)研究等。其中，HAZOP是通過(guò)應(yīng)用引導(dǎo)詞來(lái)識(shí)別出生產(chǎn)系統(tǒng)中每個(gè)工藝參數(shù)可能出現(xiàn)的偏差，并對(duì)不同偏差所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)及危險(xiǎn)源進(jìn)行分析。該方法受到了化工行業(yè)人員的歡迎和認(rèn)可。傳統(tǒng)的HAZOP分析只能對(duì)系統(tǒng)的偏差進(jìn)行定性描述，由于缺乏定量的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，分析偏差具有主觀性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將HAZOP與過(guò)程模擬軟件(Aspen Plus)相結(jié)合進(jìn)行研究，已取得了較大的進(jìn)展。例如，陳海嶺等提出了HAZOP與Aspen Plus相結(jié)合的分析方法，首先對(duì)合成工段進(jìn)行HAZOP分析，結(jié)合Aspen plus對(duì)其工藝流程進(jìn)行模擬，并以苯硝化過(guò)程為例進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析[1]；廖思超等基于氯乙烯合成過(guò)程為基礎(chǔ)，運(yùn)用傳統(tǒng)的HAZOP分析確定偏差，利用 Aspen Plus 過(guò)程模擬與Excel軟件相結(jié)合的HAZOP 對(duì)偏差進(jìn)行量化[2]；Jano?ovsk等通過(guò)氨合成反應(yīng)器事故進(jìn)行分析，提出了HAZOP分析與仿真環(huán)境相結(jié)合的方法，對(duì)偏差進(jìn)行模擬后，應(yīng)用HAZOP方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理[3-4]；陳鑫等基于HAZOP和aspen-plus模擬計(jì)算對(duì)氯乙烯精餾過(guò)程進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析[5]；等等。

1 HAZOP -Aspen plus風(fēng)險(xiǎn)分析

本文以年產(chǎn)20萬(wàn)噸的甲醇精餾系統(tǒng)為研究對(duì)象開(kāi)展危險(xiǎn)性與可操作性研究，利用HAZOP對(duì)系統(tǒng)中存在的危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，找出影響系統(tǒng)安全的重要工藝參數(shù)[6]。運(yùn)用Aspen Plus過(guò)程模擬軟件模擬甲醇精餾過(guò)程關(guān)鍵工藝參數(shù)的分布情況，找出關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，從而使HAZOP分析量化。

甲醇精餾系統(tǒng)依據(jù)生產(chǎn)工藝過(guò)程，劃分為3個(gè)節(jié)點(diǎn)。甲醇精餾系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)劃分情況見(jiàn)表1，工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 過(guò)程流程圖

根據(jù)甲醇精餾系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)劃分情況，分別對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行HAZOP分析。通過(guò)分析系統(tǒng)中參數(shù)的變化情況以及可能出現(xiàn)的偏差，分析出可能出現(xiàn)偏差的原因，找出系統(tǒng)中存在的潛在危險(xiǎn)，并提出有針對(duì)性的安全預(yù)防措施。該系統(tǒng)劃分3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分析偏差56項(xiàng)，引起偏差的原因196項(xiàng)，后果嚴(yán)重性113項(xiàng)。考慮到篇幅問(wèn)題，本文只針對(duì)重大潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行HAZOP分析，以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)3為例，如表2所示。

對(duì)甲醇精餾系統(tǒng)進(jìn)行HAZOP分析可知，在甲醇精餾過(guò)程中引起系統(tǒng)發(fā)生故障的是流量、液位、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，如果這些參數(shù)發(fā)生偏差，可能導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒事故，危及人的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全。

表2 甲醇精餾系統(tǒng)HAZOP分析

2 甲醇精餾過(guò)程中的模擬優(yōu)化

Aspen plus中擁有大量的物性方法。由于粗甲醇中含有大量的甲醇和水，兩者之間有較強(qiáng)的作用力，因此物性方法選擇非隨機(jī)(局部)雙液體模型(NRTL)較為合適[7]。

2.1 工藝流程步驟

選取三塔精餾流程對(duì)工藝進(jìn)行分析[8-9]：來(lái)自甲醇合成工段的粗甲醇(除甲醇外含有二甲醚、乙醇、丁醇等雜質(zhì))加熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔，低于甲醇沸點(diǎn)的餾分(如二甲醚等)從預(yù)精餾塔的塔頂逸出。比甲醇沸點(diǎn)高的組分和水，通過(guò)加壓塔和常壓塔進(jìn)行分離。粗甲醇經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入加壓塔，在塔頂采出精甲醇(不含雜質(zhì))。從加壓塔塔底出來(lái)的甲醇水溶液經(jīng)過(guò)換熱后進(jìn)入常壓塔的下部，塔頂餾出物在常壓塔冷凝器冷卻采出精甲醇，經(jīng)精甲醇冷卻器冷卻后成為產(chǎn)品精甲醇。

在圖1中，YJL、JY、CY分別代表預(yù)精餾塔、加壓塔、常壓塔。FEED是粗甲醇，3、6是產(chǎn)出的精甲醇。由于預(yù)精餾塔只是為了去除輕組分，產(chǎn)不出精甲醇，而加壓塔和常壓塔能產(chǎn)出精甲醇，且工藝參數(shù)的變化對(duì)該塔的影響比較大，為此采用嚴(yán)格精餾模塊RADFRAC模擬塔內(nèi)參數(shù)的變化情況，本文以常壓塔為例進(jìn)行介紹。

2.2 常壓塔的模擬過(guò)程和結(jié)果

進(jìn)料組成的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為水29%，甲醇70%，丁醇1%，(為了便于處理結(jié)果，將粗甲醇中的雜醇以丁醇為代表)，進(jìn)料溫度 60 ℃，物性方法選擇NRTL進(jìn)行模擬，得到初始化模擬結(jié)果，如表3所示。

表3 初始化模擬結(jié)果

塔內(nèi)需要的參數(shù)設(shè)置完成以后，運(yùn)用aspen plus得到簡(jiǎn)單的模擬結(jié)果，在簡(jiǎn)單模擬結(jié)果的基礎(chǔ)之上，再進(jìn)行嚴(yán)格的模擬計(jì)算。模擬結(jié)果顯示甲醇的質(zhì)量分率為0.996，水的質(zhì)量分率為0.004?？芍状技兌葹?.996，該純度達(dá)到了國(guó)際AA級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，符合甲醇精餾對(duì)純度的要求。

圖2是回流比隨理論參數(shù)變化的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，合適的理論板數(shù)應(yīng)該在該圖斜率絕對(duì)值較小的地方選擇。

在操作中，要想有合適的物料平衡，首先確保有穩(wěn)定的熱量平衡和氣液平衡。見(jiàn)圖3和表4、表5。

為了更加直觀地了解塔內(nèi)各工藝參數(shù)分布情況，分別繪制塔內(nèi)溫度、壓力、氣相組成、液相組成、氣液流量等關(guān)鍵參數(shù)的分布情況，見(jiàn)圖4至圖8。

圖2 回流比隨理論板數(shù)變化 圖3 氣液平衡參數(shù)曲線

表4 冷凝器熱負(fù)荷

表5 再沸器熱負(fù)荷

圖4 塔內(nèi)溫度分布曲線 圖5 塔內(nèi)壓力分布曲線

圖8 塔內(nèi)氣液流量分布 圖9 壓力隨物料溫度變化

采用靈敏度分析功能模擬關(guān)鍵參數(shù)(溫度)的變化對(duì)塔內(nèi)其他參數(shù)(壓力)的影響情況，如圖9所示。由圖9可知，隨著溫度的升高，壓力也逐漸升高，從而導(dǎo)致塔破裂及火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。

因此，在精餾過(guò)程中，操作者應(yīng)該隨時(shí)注意塔內(nèi)溫度、壓力、流量的變化情況，如果出現(xiàn)差錯(cuò)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，從而避免由于溫度、壓力、流量變化太大導(dǎo)致事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)的危險(xiǎn)性與可操作性的基礎(chǔ)上，利用化工流程模擬軟件對(duì)甲醇精餾過(guò)程中常壓塔進(jìn)行了模擬分析與優(yōu)化，通過(guò)對(duì)常壓塔內(nèi)的參數(shù)，如溫度、壓力、氣相組成、液相組成、氣液流量等進(jìn)行分析，了解這些參數(shù)對(duì)化工工藝安全的影響，使危險(xiǎn)性與可操作性分析定量化，以指導(dǎo)化工工藝過(guò)程完成安全設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)的變化情況在合理的變化范圍內(nèi)，避免造成傷害，為以后的工藝生產(chǎn)提供依據(jù)。

1)在本次甲醇精餾過(guò)程常壓塔的安全模擬中，應(yīng)控制反應(yīng)溫度在45-95 ℃。當(dāng)溫度超過(guò)精餾的最大反應(yīng)溫度，容易造成精餾塔超溫超壓、降低甲醇收集質(zhì)量和進(jìn)料溫度升高，導(dǎo)致精餾塔出現(xiàn)安全事故。

2)在甲醇精餾過(guò)程中壓力基本維持在85-100 kPa。當(dāng)精餾過(guò)程壓力過(guò)低，則會(huì)塔壓不穩(wěn)，出現(xiàn)泛塔，影響分離效果；壓力過(guò)高，容易造成塔頂壓力超壓，穩(wěn)定性降低，易出現(xiàn)爆裂事故。

3)在甲醇精餾過(guò)程中,回流比應(yīng)在0.5-1.25之間，回流比越大，甲醇的質(zhì)量就會(huì)越高，但是塔內(nèi)循環(huán)量太大可能會(huì)破壞塔的正常工作，用電、用水情況也會(huì)增多，增大損耗。