基于危險和可操作性和模擬計算的氯乙烯精餾定量風險分析

陳鑫，陶剛，張禮敬

（1南京工業(yè)大學安全科學與工程學院，江蘇南京210009；2江蘇省危險化學品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點實驗室，江蘇南京210009）

危險與可操作性（hazard and operability ,HAZOP）分析是工業(yè)領(lǐng)域中應用廣泛的辨識危害因素的安全分析方法之一，尤其在石油、化工等高危行業(yè)[1]。然而隨著化工行業(yè)生產(chǎn)逐步實現(xiàn)裝置大型化、控制自動化，工藝過程中的危險性顯著增加[2]。保證工藝過程安全是化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的HAZOP 分析無法對系統(tǒng)危險程度和后果進行定量分析，已經(jīng)很難滿足風險分析要求。因此，基于HAZOP 與計算機輔助軟件模擬識別重大危險源潛在的危險因素，實現(xiàn)HAZOP 定量化分析成為現(xiàn)在發(fā)展的趨勢。

目前，國內(nèi)外對HAZOP 的定量研究取得了一些進展，主要是利用一些數(shù)學方法和計算機輔助軟件對事故后果[3-7]和HAZOP 中的偏差進行量化分析[8-13]。Svandova 與Jelemensky 等[8]提出了 可以將靜態(tài)過程模擬和動態(tài)過程模擬應用到HAZOP 的分析中。石艷娟、付建民等[9]將HAZOP 分析和HYSYS軟件結(jié)合，對篩選出來的高風險偏差進行動態(tài)模擬，并以汽提塔抽提工藝為例取得良好效果。陳海嶺等[10]提出了HAZOP-Aspen Plus 風險分析方法，并給出了苯硝化的定量風險分析。Jano?ovsky等[11-12]提出了將基于模型的HAZOP分析與仿真環(huán)境相結(jié)合的原理，對過程偏差效應模擬后，應用HAZOP 方法對仿真數(shù)據(jù)進行采集和處理，并給出了氨合成反應器事故的案例。

Aspen Plus 是一款功能強大的大型化工過程模擬軟件，其采用高精度的模型和數(shù)學方法來模擬工藝操作中的實際情況。相較于其他工藝流程模擬軟件，Aspen Plus 擁有更為廣泛的數(shù)據(jù)庫和高精度的模型。本文在HAZOP 定量分析方法上建立了基于HAZOP 定量分析模型，將Aspen Plus 軟件和HAZOP相結(jié)合對氯乙烯精餾工藝進行了過程模擬，在Aspen Plus軟件平臺上建立分離過程模型，針對篩選出的偏差場景進行模擬，并據(jù)此進行HAZOP的定量分析，以期為提高精餾系統(tǒng)的本質(zhì)安全性提供指導。

1 基于HAZOP定量分析模型建立

圖1 HAZOP量化分析流程

傳統(tǒng)的HAZOP 研究分析的偏差來自于引導詞（多、少、沒有等）和工藝參數(shù)（溫度、流量、壓力等）的簡單邏輯組合產(chǎn)生，這不足以提供穩(wěn)態(tài)模擬的前提條件。定性的后果分析也無法確定故障發(fā)生時各參數(shù)偏差程度及不同程度的偏離對系統(tǒng)風險的影響程度。HAZOP 定量分析方法將Aspen Plus與HAZOP 相結(jié)合能實現(xiàn)偏差的量化分析，圖1 為該分析方法的具體流程。

（1）確定對象，收集資料。確定氯乙烯精餾系統(tǒng)為分析對象后，進行定性分析。在進行模擬之前，還需知道氯乙烯精餾時工藝條件，包括溫度、壓力、進料量等。

（2）建立工藝流程模型。根據(jù)提供的信息，對氯乙烯精餾過程進行建模，將組分信息、物性方法、物流參數(shù)和設備參數(shù)等輸入Aspen Plus內(nèi)進行模擬。

（3）偏差分析，穩(wěn)態(tài)模擬。改變氯乙烯物流參數(shù)，使之偏離正常條件，比如“流量增加10%”“溫度增加15%”等，模擬此時系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化，記錄有效偏差對系統(tǒng)的影響。

（4）定量分析。根據(jù)模擬的結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行分析，得到氯乙烯工藝操作條件的安全閾值，實現(xiàn)HAZOP的定量化分析。

在分析流程圖的基礎(chǔ)上建立了基于HAZOP 定量分析模型，如圖2所示。該模型由定性報告、流程模擬和數(shù)據(jù)分析三大要素組成，形成完善的HAZOP定量化報告。

圖2 HAZOP定量分析模型

2 案例分析

確定研究對象為某化工廠氯乙烯精餾工藝，利用Aspen Plus 模擬軟件實現(xiàn)HAZOP 偏差的量化分析。基礎(chǔ)的模擬數(shù)據(jù)來自文獻[14]，見表1。

2.1 精餾工段HAZOP結(jié)果

將精餾工段的進出料管線和精餾塔作為節(jié)點，進行HAZOP 分析。分析的主要偏差為進料溫度過高、進料溫度過低、進料流量過高和進料流量過低等，詳細分析見表2（僅列出風險較高，在Aspen Plus中可模擬的偏差）。

表1 氯乙烯精餾模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 物性方法選擇和模型建立

在進行模擬之前，需要選擇合適的物性方法。合適的物性方法、可靠的物性模型對于模擬計算結(jié)果至關(guān)重要，也是精確量化分析數(shù)據(jù)的前提之一。根據(jù)前人的模擬研究，NRTL 模型是氯乙烯體系最適合的模型。

來自氯乙烯合成工段的粗氯乙烯氣體經(jīng)過壓縮、冷凝、除水后進入低沸塔。在低沸塔B1 中，上升的蒸汽將液體中的輕組分乙炔從塔頂帶出，然后利用壓差進入高沸塔B2。在高沸塔中，塔頂氣體進入冷凝器冷凝成氯乙烯單體，重組分二氯乙烷等從塔底排除。在Aspen Plus中建立工藝流程流程模型，如圖3所示。

圖3 工藝流程模型

2.3 精餾工段場景篩選

氯乙烯精餾反應中涉及的氯乙烯和二氯乙烷都具有火災爆炸危險性，一旦發(fā)生泄漏與空氣形成爆炸性混合氣體或者反應失控導致超溫超壓都會引起火災爆炸事故，造成嚴重的后果。所以控制好反應過程的溫度至關(guān)重要?；诖?，結(jié)合模擬軟件中的靈敏度分析模塊特點，選擇了下面三種分析場景，見表3。

2.4 定量化分析

首先確定目標分析偏差：進料溫度過高或者過低，進料流量過高或者過低，然后改變Aspen Plus中進料參數(shù)進行模擬。模擬進料溫度和進料流量相對偏差波動范圍從-40%增加到+40%，設置步長5%，觀察兩塔冷凝器和再沸器熱負荷的變化情況。

表2 HAZOP分析結(jié)果

表3 靈敏度分析場景

圖4 為溫度、進料量發(fā)生偏差對低沸塔B1 和高沸塔B2 冷凝器熱負荷的影響；圖5 為溫度、進料量發(fā)生偏差對B1 再沸器熱負荷的影響。在此過程中，設定塔壓、回流比和進料組成保持不變。圖4、圖5 中重合的點分別為冷凝器和再沸器功率的設計值，B1 冷凝器為-99.88kW，B2 冷凝器為-1231kW，B1 再沸器為303kW。根據(jù)經(jīng)驗，兩設備功率的安全裕度取20%，則B1和B2冷凝器熱負荷的安全操作范圍在：-119.8～0kW 和-1477.2～0kW，B1 再沸器熱負荷安全操作范圍為0～364kW。圖中橫線可定義為安全閾值線。

圖4 B1、B2冷凝器熱負荷隨溫度進料量波動

圖5 B1再沸器熱負荷隨溫度進料量波動

從圖中可以明顯看出，溫度的偏差對兩塔冷凝器的熱負荷影響不大；而隨著溫度的不斷降低，B1 再沸器的熱負荷不斷上升，呈線性趨勢，當溫度偏差在-40%～-25%時，即溫度低于15℃時，再沸器功率超出安全閾值，此時對系統(tǒng)造成不利影響。長時間的超負荷運行使得塔內(nèi)蒸汽量降低，發(fā)生漏液現(xiàn)象；塔頂流量減少。如果偏差持續(xù)增大，能導致塔溫和進料狀態(tài)的改變，從而改變氣液平衡，降低精餾效果。所以，控制好溫度偏差是精餾的關(guān)鍵之一。綜合上述分析可以得出，精餾過程中，進料溫度相對偏差應該控制在-25%～40%。

進料量的偏差導致兩塔的熱負荷接近線性增長。當進料量達到438kmol/h，相對偏差在20%時，B1 冷凝器和再沸器的功率均達到安全閾值；進料量為442kmol/h，相對偏差在21%時，B2冷凝器功率達到安全閾值。一旦進料流量失控偏差大于20%時，且持續(xù)一定時間時，會對系統(tǒng)產(chǎn)生較嚴重的影響。冷凝器、再沸器長時間超負荷運作，導致產(chǎn)品質(zhì)量降低；蒸汽上升速度快速增加，導致液泛；塔釜液位快速上升，產(chǎn)品流量超過指標控制范圍；塔頂流量增加，泄放出來的氣體與空氣混合能形成爆炸性混合物。當進料流量偏差小于20%時，各個參數(shù)指標都在安全范圍內(nèi)，合理地增加進料量使得蒸汽上升速度增加，傳質(zhì)效果好；雖然進料流量偏差在-40%～0 時，冷凝器、再沸器熱負荷在安全范圍內(nèi)，但是進料量的偏低引起蒸汽上升速度的降低，導致分離效率降低。綜合上述分析可以得出，進料流量相對偏差應該控制在0～20%之間，以保證精餾塔的各個參數(shù)在正常操作范圍之內(nèi)。

圖6 B2冷凝器和再沸器熱負荷隨進料組成波動

圖6為進料中粗氯乙烯含量的絕對偏差波動對B2 冷凝器和再沸器功率的影響。隨著進料中氯乙烯的含量逐漸減低，冷凝器和再沸器的熱負荷呈上升趨勢。當氯乙烯含量的絕對偏差波動在0～1.2%時，冷凝器熱負荷變化不大，當偏差大于1.2%時，熱負荷發(fā)生明顯的波動。由曲線的斜率可知，當偏差在1.2%～1.4%時，熱負荷上升得最快，敏感性最強。由安全閾值線可知，當偏差大于1.5%時，冷凝器超負荷運行，對精餾系統(tǒng)造成影響：塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格、塔溫和塔壓的變化引起物料平衡的改變。而再沸器的熱負荷一直處于安全范圍之內(nèi)。由此可知，進料中粗氯乙烯含量的絕對偏差應該控制在1.5%以下。

圖7為進料中粗氯乙烯含量的絕對偏差波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。隨著進料中氯乙烯含量的降低，產(chǎn)品質(zhì)量總體呈現(xiàn)下降趨勢，當偏差大于1.2%時，產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)明顯下降；由曲線斜率可知，隨著偏差的增大，產(chǎn)品質(zhì)量下降速度增加。因此，進料組成的偏差應該控制在1.2%以內(nèi)，以保證塔頂產(chǎn)品合格。進料組成的改變不僅僅對冷凝器、再沸器熱負荷和產(chǎn)品質(zhì)量有影響，還會改變精餾塔塔頂和塔底的溫度，造成物料平衡和工藝條件的改變。控制好進料的組成也是精餾中的關(guān)鍵之一。

圖7 回收率隨進料組成變化波動

上面的分析完成了基于模型的HAZOP 定量化分析方法中數(shù)據(jù)分析這一模塊，本文將其總結(jié)如表4所示，也是完善HAZOP定量化報告的關(guān)鍵一步。

表4 偏差結(jié)果

3 結(jié)論

將Aspen Plus模擬計算應用于氯乙烯精餾系統(tǒng)的HAZOP 風險分析中，通過確定分析對象、建立工藝流程模型、偏差模擬及最后的數(shù)據(jù)定量化分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）Aspen Plus 模擬實現(xiàn)了氯乙烯的HAZOP偏差定量化分析，通過對進料流量、溫度和組成設定偏差，得到了目標偏差對精餾系統(tǒng)兩塔冷凝器、再沸器熱負荷以及塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

（2）將所提出的基于模型的HAZOP 定量分析方法應用于氯乙烯精餾系統(tǒng)中。根據(jù)進料偏差對精餾系統(tǒng)的影響，得到了進料工藝參數(shù)偏離設計值的安全范圍：進料溫度偏差控制在-25%～40%，進料量偏差控制在0～20%，進料組成偏差控制在1.2%以下。

（3）基于HAZOP 定量分析模型也可以應用于其他化工裝置的風險分析中，如反應器、換熱器等。本文工作中采用的是穩(wěn)態(tài)模擬，沒有加入時間參數(shù)，無法考慮工藝參數(shù)發(fā)生偏差后持續(xù)時間長短對系統(tǒng)造成的影響，在未來的研究中可以進一步完善，使得模擬更加貼近設備實際運行情況，提高HAZOP量化結(jié)果的準確性。