基于DOW指數(shù)法的己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝安全分析

郭 凡 於孝春 袁東明

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

己內(nèi)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(guò)聚合生成尼龍或錦綸，進(jìn)一步加工成工程塑料及塑料薄膜等。隨著己內(nèi)酰胺生產(chǎn)需求量的增大，越來(lái)越多的廠家建立己內(nèi)酰胺生產(chǎn)車間，裝置風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此盡可能地降低火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生已經(jīng)迫在眉睫。HPO法是目前應(yīng)用最廣泛的己內(nèi)酰胺合成工藝，其產(chǎn)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(duì)某公司的HPO法己內(nèi)酰胺合成工藝，分析其生產(chǎn)過(guò)程中工藝、設(shè)備和物質(zhì)的險(xiǎn)性，利用道化學(xué)(DOW)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評(píng)價(jià)方法對(duì)整個(gè)裝置、生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，找到存在較大風(fēng)險(xiǎn)的單元，及時(shí)采取補(bǔ)償措施，盡可能地減少事故的發(fā)生，減少盲目性，保證生產(chǎn)有條穩(wěn)步地進(jìn)行，保障人身安全，減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失[2～4]。

1 己內(nèi)酰胺工藝過(guò)程火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)性分析

己內(nèi)酰胺裝置在生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的物質(zhì)主要有環(huán)己烷、環(huán)己酮、環(huán)己醇、環(huán)己酮肟及己內(nèi)酰胺等，生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的主要危險(xiǎn)物品主要有苯、甲苯、氫氣、氮?dú)?、氨水、發(fā)煙硫酸、廢堿液及焦油等。己內(nèi)酰胺生產(chǎn)過(guò)程中易燃、易爆、有毒物質(zhì)繁多，結(jié)合己內(nèi)酰胺整套裝置的生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)，筆者從以下幾個(gè)方面分析工藝和設(shè)備存在的主要危險(xiǎn)因素[5]：

a. 己內(nèi)酰胺生產(chǎn)裝置中設(shè)備繁多，工程工藝先進(jìn)，生產(chǎn)工序非常復(fù)雜，充分體現(xiàn)了高度自動(dòng)化、密閉化和連續(xù)化的特點(diǎn)。但一旦某一部件發(fā)生失效故障，不僅給企業(yè)帶來(lái)停產(chǎn)困擾，更有可能對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成極大損失。

b. 每個(gè)單元的生產(chǎn)設(shè)備繁多，極易出現(xiàn)操作上的紕漏，如設(shè)備的溫度及壓力等參數(shù)控制不當(dāng)，就會(huì)造成反應(yīng)失控；聯(lián)鎖和監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行不當(dāng)，部件失靈無(wú)法保證安全生產(chǎn)；設(shè)備不及時(shí)檢修就會(huì)忽略各種失效跡象，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生泄漏等危險(xiǎn)，造成無(wú)法預(yù)測(cè)的損失。

c. 生產(chǎn)過(guò)程中涉及的工藝介質(zhì)多種多樣，產(chǎn)品和中間物質(zhì)多數(shù)具有揮發(fā)性及毒性等，若工藝參數(shù)控制不當(dāng)，極易引發(fā)重大事故，如發(fā)煙硫酸和堿液的濃度超過(guò)一定濃度時(shí)，會(huì)嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，甚至污染環(huán)境。

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

e. 整套己內(nèi)酰胺裝置的管道、儲(chǔ)罐和貯槽很多，長(zhǎng)期操作過(guò)程中，在熱力、應(yīng)力和環(huán)境的共同作用下，也會(huì)發(fā)生失效故障。

2 DOW火災(zāi)、爆炸指數(shù)法評(píng)價(jià)

2.1 選取評(píng)價(jià)單元

筆者僅選取苯加氫反應(yīng)單元、環(huán)己烷氧化分解反應(yīng)單元、羥胺制備單元、氨氧化單元、肟化反應(yīng)單元和環(huán)己酮肟重排單元為評(píng)價(jià)對(duì)象：

a. 苯加氫反應(yīng)單元。該單元主要危險(xiǎn)物質(zhì)為氫氣、苯及輕油等，屬于高溫高壓過(guò)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(yīng)單元。該單元主要是將環(huán)己烷氧化成環(huán)己基過(guò)氧化氫，在催化劑作用下分解為粗醇酮物質(zhì)，副產(chǎn)品是有機(jī)酸，具有腐蝕性，屬于易燃易爆過(guò)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(duì)煤氣中所含的氨進(jìn)行回收，主要危險(xiǎn)物質(zhì)為煤氣，屬于常溫常壓過(guò)程。

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

e. 肟化反應(yīng)單元。該單元中環(huán)己酮在甲苯溶液中與磷酸、羥胺進(jìn)行肟化反應(yīng)，生成環(huán)己酮肟，反應(yīng)溫度為50℃，危險(xiǎn)物質(zhì)為甲苯及環(huán)己酮等，溫度控制嚴(yán)格，極易結(jié)晶堵塞。

f. 環(huán)己酮肟重排單元。該單元的主要介質(zhì)為發(fā)煙硫酸、轉(zhuǎn)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(yīng)失控，危險(xiǎn)性大[8]。

上述6個(gè)單元的物質(zhì)危險(xiǎn)特性與主要設(shè)備見(jiàn)表1、2。

表1 物質(zhì)危險(xiǎn)特性

*空氣的相對(duì)密度為1。

表2 評(píng)價(jià)單元的主要設(shè)備

2.2 評(píng)價(jià)單元物質(zhì)系數(shù)MF確定

計(jì)算火災(zāi)、爆炸指數(shù)的及評(píng)價(jià)其他危險(xiǎn)性時(shí)，物質(zhì)系數(shù)MF是最基礎(chǔ)的參數(shù)，對(duì)照DOW指數(shù)法的物質(zhì)系數(shù)和特性表，確定評(píng)價(jià)單元的危險(xiǎn)物質(zhì)分量和系數(shù)：

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

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

c. 羥胺制備單元。該單元的主要物質(zhì)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(zhì)，其物質(zhì)系數(shù)為29。

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

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

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

2.3 確定評(píng)價(jià)對(duì)象單元工藝危險(xiǎn)系數(shù)F3

確定工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)F3時(shí)，需要分別確定一般工藝危險(xiǎn)性系數(shù)F1和特殊工藝危險(xiǎn)性系數(shù)F2。一般工藝危險(xiǎn)性是確定事故危險(xiǎn)程度的主要因素，主要包括放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)、物質(zhì)貯藏與輸送、封閉結(jié)構(gòu)、通道和排放、泄漏(表3)。特殊工藝危險(xiǎn)性是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要因素，主要包括毒性物質(zhì)、負(fù)壓操作、在爆炸極限范圍內(nèi)或其附近操作、粉塵爆炸、壓力釋放、低溫、易燃物質(zhì)與不穩(wěn)定物質(zhì)數(shù)量、腐蝕、明火設(shè)備、熱油交換系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備和軸封與接頭處的泄漏共12項(xiàng)內(nèi)容(表4)。

表3 評(píng)價(jià)單元一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)F1

表4 評(píng)價(jià)單元特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)F2

評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)系數(shù)F3是一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)F1與特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)F2的乘積，即F3=F1×F2。經(jīng)計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)單元的危險(xiǎn)系數(shù)F3依次為12.600、10.586、5.310、6.300、10.452、5.436。

2.4 計(jì)算火災(zāi)、爆炸指數(shù)(F&EI)

火災(zāi)、爆炸指數(shù)是用來(lái)估算己內(nèi)酰胺裝置在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生事故后可能造成的破壞狀況，是物質(zhì)系數(shù)MF與單元危險(xiǎn)系數(shù)F3的乘積，即F&EI=MF×F3。F&EI危險(xiǎn)等級(jí)和評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)表5、6。

表5 F&EI危險(xiǎn)等級(jí)

表6 評(píng)價(jià)單元F&EI危險(xiǎn)等級(jí)

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

2.5 安全措施補(bǔ)償系數(shù)

安全措施主要分為工藝控制、物質(zhì)隔離和防火措施，補(bǔ)償系數(shù)分別為C1、C2、C3(表7～9)，安全補(bǔ)償系數(shù)C=C1×C2×C3。對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行補(bǔ)償修正后，可根據(jù)F&EI-1=F&EI×C得到新的F&EI等級(jí)(表10)。

表7 工藝控制安全補(bǔ)償系數(shù)C1

表8 工藝控制安全補(bǔ)償系數(shù)C2

表9 防火措施安全補(bǔ)償系數(shù)C3

表10 評(píng)價(jià)單元進(jìn)行補(bǔ)償修正后新的F&EI等級(jí)

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(cè)泄漏裝置等為主要補(bǔ)償措施[10]。因此在生產(chǎn)區(qū)域、裝置和建筑物間均需設(shè)置足夠的防火安全間距，道路需要根據(jù)消防車對(duì)通道的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與布置；產(chǎn)生燃爆性氣體和粉塵的廠房?jī)?nèi)需采取相應(yīng)的通風(fēng)、除塵措施，以降低爆炸性物質(zhì)濃度，使其低于燃爆下限；存在易燃、易爆物質(zhì)的設(shè)備和管道需采取相應(yīng)的防靜電措施；設(shè)置超壓報(bào)警、安全連鎖和自動(dòng)切斷煤氣裝置；易爆設(shè)備和管線進(jìn)行開(kāi)、停機(jī)時(shí)需設(shè)有蒸汽吹掃裝置；消防系統(tǒng)應(yīng)設(shè)專用消防給泵，以保證消防時(shí)的水壓、水量要求，室內(nèi)、外按消防規(guī)范設(shè)置消火栓、干粉滅火器及手提式磷酸銨鹽滅火器等；應(yīng)保證系統(tǒng)各冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行，冷卻水循環(huán)合理；需定期檢測(cè)設(shè)備安全狀況，保證液位、溫度及壓力等參數(shù)穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)上述補(bǔ)償修正后，苯加氫反應(yīng)單元、環(huán)己烷氧化分解反應(yīng)單元、氨氧化單元和肟化反應(yīng)單元的F&EI變小，F(xiàn)&EI等級(jí)變?yōu)橹械任ｋU(xiǎn)等級(jí)，造成的危險(xiǎn)性也減小，為裝置的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合己內(nèi)酰胺整套裝置的生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)，分析了工藝和設(shè)備存在的主要危險(xiǎn)因素，以主要單元的工藝特點(diǎn)和物質(zhì)特性為危險(xiǎn)性分析對(duì)象，利用DOW指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，并從安全措施入手降低單元的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為裝置的安全運(yùn)行提供了可靠保障，以便于開(kāi)展后續(xù)的裝置完整性分析與管理工作。

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