基于模擬計(jì)算的甲醇精餾定量HAZOP 方法

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）

甲醇作為一種清潔能源，被廣泛地應(yīng)用于化工領(lǐng)域。甲醇在工業(yè)生產(chǎn)中，要經(jīng)過多種環(huán)節(jié)，但最后一環(huán)節(jié)粗甲醇精餾耗能極高且由于產(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。因此，為降低能耗和避免事故的發(fā)生，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理優(yōu)化之后，用傳統(tǒng)的HAZOP 分析辨識(shí)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源，用流程模擬軟件對(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。但是目前粗甲醇精餾使用的風(fēng)險(xiǎn)分析方法仍然是傳統(tǒng)的危險(xiǎn)性與可操作性分析方法。

危險(xiǎn)性與可操作性分析（HAZOP）的目標(biāo)在于辨識(shí)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)因素，通過研究設(shè)計(jì)偏離情況，解決系統(tǒng)中的危險(xiǎn)問題，并提出針對(duì)性的解決方案[1-2]。傳統(tǒng)的HAZOP 分析是通過專家小組進(jìn)行評(píng)價(jià)的，受到人員知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果具有主觀性，因此是一種定性的分析方法。為了打破HAZOP 分析的主觀性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)定量HAZOP研究并取得了進(jìn)展：陳海嶺等提出了HAZOP 與Aspen Plus 相結(jié)合的分析方法，以苯硝化過程為例進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析[3]。王嘉羽、蔣宏業(yè)[4]等采用HAZOP-Aspen Hysys 相結(jié)合的方法進(jìn)行定量HAZOP 研究。

Aspen Plus 是最完善的大型化工流程模擬軟件，采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法客觀的模擬化工過程中的實(shí)際情況[5-6]，相比其他模擬軟件，Aspen Plus 具有更多的數(shù)據(jù)庫(kù)，本文將傳統(tǒng)HAZOP 與Aspen Plus 相結(jié)合，提出了一種用于粗甲醇精餾定量HAZOP 方法，在HAZOP 分析結(jié)果的基礎(chǔ)上引入Aspen plus 靈敏度分析方法，對(duì)偏差進(jìn)行定量分析，有助于提高系統(tǒng)本質(zhì)安全。

1 案例分析

確定研究對(duì)象為某化工廠年產(chǎn)26.7萬噸粗甲醇雙效精餾工藝，粗甲醇進(jìn)料流量36 000 kg/h，進(jìn)料溫度40 ℃，進(jìn)料壓力1 000 kPa。生產(chǎn)指標(biāo)要求甲醇含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≥0.99，精甲醇回收率≥99.0%。在滿足生產(chǎn)指標(biāo)的前提下，運(yùn)用Aspen Plus 軟件模擬實(shí)現(xiàn)HAZOP 偏差量化分析。粗甲醇成分信息見表1。

表1 粗甲醇組成

1.1 物性方法的選擇與模型建立

根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，加壓塔與常壓塔均采用嚴(yán)格精餾RadFrac 模型。工藝流程圖如圖1 所示，來自合成工段的粗甲醇?xì)怏w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，液相回流，經(jīng)過換熱器加熱后進(jìn)入加壓塔，在塔頂采出精甲醇，部分回流，經(jīng)常壓塔精餾后，塔頂采出精甲醇，部分回流。加壓塔塔頂蒸汽冷凝潛熱作為常壓塔塔底再沸器熱源，兩塔之間形成雙效精餾[7-8]。

圖1 過程流程圖

1.2 雙效精餾系統(tǒng)的模擬優(yōu)化與分析

1.2.1 進(jìn)料位置的的影響

由圖2 看出隨著加壓塔進(jìn)料位置的下降，加壓塔塔頂甲醇的含量逐步提高，當(dāng)加壓塔進(jìn)料位置增至第47 塊理論板后，加壓塔塔頂甲醇、乙醇含量已滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，加壓塔最佳進(jìn)料位置為第47塊理論板。

圖2 進(jìn)料位置對(duì)加壓塔產(chǎn)品質(zhì)量的影響

由圖3 看出，常壓塔進(jìn)料位置的變化對(duì)塔頂甲醇含量、乙醇含量有一定的影響。進(jìn)料位置從第2塊理論板變化至40 塊理論板的過程中，塔頂甲醇含量不斷提高，乙醇含量不斷降低，當(dāng)進(jìn)料位置從40塊理論板變化到60 塊理論板的過程中，塔頂甲醇含量開始降低，乙醇含量顯著升高，因此，常壓塔最佳進(jìn)料位置為第40 塊理論板。

圖3 常壓塔進(jìn)料位置對(duì)常壓塔產(chǎn)品質(zhì)量的影響

1.2.2 回流比的影響

由圖4 看出，回流比從2～5 變化過程中，加壓塔塔頂甲醇、乙醇含量逐步降低且在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，回流比從5～9 變化過程中，加壓塔塔頂甲醇含量已不滿足生產(chǎn)需求。因此，為了保證加壓塔頂甲醇含量最多，故應(yīng)選擇加壓塔的回流比為2。

由圖5 看出，隨著常壓塔回流比的增大，塔頂甲醇含量逐漸增加，乙醇含量逐漸降低，當(dāng)常壓塔回流比增至3 時(shí)，塔頂甲醇含量最多，乙醇含量最少，且滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，常壓塔適宜的回流比為3。

圖5 常壓塔回流比對(duì)常壓塔產(chǎn)品質(zhì)量的影響

1.2.3 模擬結(jié)果

運(yùn)用流程模擬軟件對(duì)雙效精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得到了滿足生產(chǎn)指標(biāo)和能耗最低的操作參數(shù)，如表2 所示。

表2 模擬結(jié)果

1.3 傳統(tǒng)HAZOP 分析結(jié)果

本文以精餾塔為分析節(jié)點(diǎn)，依據(jù)專家組成員的討論，最終確定進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量不合理這一偏差會(huì)導(dǎo)致超溫、超壓、產(chǎn)品質(zhì)量不合格，影響精餾效果。甲醇精餾反應(yīng)中所涉及的物質(zhì)具有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，一旦泄露將會(huì)威脅人的生命健康與財(cái)產(chǎn)安全，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高[9-10]。

1.4 HAZOP 定量化分析

確定定量分析偏差為進(jìn)料溫度過高、過低，進(jìn)料流量過高、過低，將進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量波動(dòng)范圍從-50%～50%分別與加壓塔、常壓塔冷凝器與再沸器做靈敏度分析，得到進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度偏差對(duì)甲醇精餾的影響。

在此分析中保持塔參數(shù)不變，圖6、圖7 相交的部分分別為冷凝器與再沸器的設(shè)計(jì)值，其中加壓塔冷凝器為2 240.65 kW，再沸器為3 759.03 kW，常壓塔冷凝器為-22 739 kW，再沸器為19 341.9 kW。

圖6 進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度偏差對(duì)加壓塔冷凝器和再沸器熱負(fù)荷的影響

圖7 進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度偏差對(duì)常壓塔冷凝器和再沸器熱負(fù)荷的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，兩設(shè)備功率的安全范圍上下浮動(dòng)20%[11]，則加壓塔冷凝器與再沸器安全操作范圍分別是0～2 688.782 kW、0～4 510.836 kW 常壓塔冷凝器與再沸器安全操作范圍分別是-27 286.8～0 kW、0～23 210.28 kW。

由圖6、圖7 看出，溫度對(duì)兩塔冷凝器與再沸器的影響不大，一直在安全閾值范圍內(nèi)，進(jìn)料量的偏差使兩塔的熱負(fù)荷接近一次函數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)料量達(dá)到43 200 kg/h 時(shí)，即相對(duì)偏差在20%左右時(shí)，加壓塔、常壓塔冷凝器與再沸器熱負(fù)荷均達(dá)到安全閾值。一旦進(jìn)料流量過大，大于43 200 kg/h 且持續(xù)一段時(shí)間，將對(duì)精餾塔不利。冷凝器、再沸器長(zhǎng)時(shí)過載工作，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。蒸汽不斷增加，導(dǎo)致液泛。塔底液位上升，產(chǎn)品流量超過安全范圍。塔頂流量增加，釋放出的氣體與空氣混合形成爆炸性混合物。當(dāng)進(jìn)料量小于43 200 kg/h，兩塔冷凝器與再沸器熱負(fù)荷均在安全閾值內(nèi)，進(jìn)料量的合理選擇會(huì)使傳質(zhì)效果變好。雖然進(jìn)料流量在18 000～36 000 kg/h，即偏差在-50%～0%范圍內(nèi)，兩塔熱負(fù)荷均在安全閾值內(nèi)，但進(jìn)料量偏低引起蒸氣上升變慢，導(dǎo)致分離速度慢。因此，進(jìn)料量在36 000～43 200 kg/h之間，即偏差在0%～20%范圍內(nèi)。

由圖8 可知，隨著甲醇進(jìn)料量的增加，產(chǎn)品回收率呈下降趨勢(shì)，為使產(chǎn)品回收率達(dá)到指標(biāo)99%，即甲醇進(jìn)料含量在35 532 kg/h 以內(nèi)，偏差在5%以內(nèi)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的合格。

圖8 甲醇進(jìn)料組成偏差對(duì)產(chǎn)品回收率的影響

1.5 定量HAZOP 分析結(jié)果

粗甲醇精餾定量HAZOP 分析得到進(jìn)料量波動(dòng)范圍應(yīng)在0%～20%，甲醇進(jìn)料組成應(yīng)在0%～5%，如表3 所示。

表3 定量HAZOP 分析結(jié)果

2 結(jié)論

本文通過粗甲醇精餾過程的模擬，確定最優(yōu)操作參數(shù)。再次運(yùn)用定量HAZOP 分析方法，定量的分析了進(jìn)料流量、甲醇進(jìn)料組成偏差對(duì)系統(tǒng)的影響，結(jié)論如下：

1）應(yīng)用流程模擬軟件Aspen Plus 基于平衡級(jí)模型的RadFrac 模塊，對(duì)甲醇雙效精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，分析進(jìn)料位置、回流比等操作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，在同時(shí)滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和能耗最低端的情況下，得出最優(yōu)操作參數(shù)。

2）采用Aspen Plus-HAZOP 相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了甲醇精餾的定量HAZOP 分析，通過對(duì)進(jìn)料流量、甲醇進(jìn)料組成設(shè)置波動(dòng)范圍，得到了偏差對(duì)系統(tǒng)的影響。

3）根據(jù)偏差對(duì)甲醇精餾過程的影響情況，得到工藝參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值的安全范圍：進(jìn)料流量偏差應(yīng)在0%～20%，甲醇進(jìn)料組成偏差應(yīng)在5%以下。