郭世蒙 曾際穎 秦楊梅 肖澤儀

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都，610065)

F22裂解制TFE工藝本質(zhì)安全-冷凝脫水非穩(wěn)態(tài)分析

郭世蒙 曾際穎 秦楊梅 肖澤儀

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都，610065)

對F22裂解制TFE工藝中的冷凝脫水節(jié)點進行了非穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)和本質(zhì)安全分析。利用熱量動態(tài)平衡方程，對裂解氣和冷凝液間的傳熱行為，建立了TFE冷凝脫水非穩(wěn)態(tài)傳熱的物理和數(shù)學(xué)模型；采用有限差分法，借助MATLAB軟件進行編程模擬迭代計算，計算結(jié)果與現(xiàn)行工業(yè)裝置實際運行數(shù)據(jù)相吻合，說明了所建立模型的合理性和可用性。以非穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)計算結(jié)果為基礎(chǔ)，采用模糊綜合評價指數(shù)模型對冷凝脫水非穩(wěn)態(tài)過程進行本質(zhì)安全量化分析，生成了非穩(wěn)態(tài)過程本質(zhì)安全度的時間過程曲線，為該工藝中TFE冷凝脫水節(jié)點相關(guān)的安全設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)控和管理提供理論依據(jù)。

TFE本質(zhì)安全冷凝脫水非穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模糊綜合評價

四氟乙烯(Tetrafluoroethylene，TFE)作為最重要的含氟單體，目前國內(nèi)普遍采用二氟一氯甲烷(Chlorodifluoromethane，F(xiàn)22)水蒸氣稀釋裂解工藝進行生產(chǎn)[1]。其工藝可劃分為裂解、急冷、脫酸、脫水和精餾等工藝節(jié)點。通過對各個工藝節(jié)點非穩(wěn)態(tài)過程進行熱力學(xué)和本質(zhì)安全分析，建立F22水蒸氣稀釋裂解制TFE工藝系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)本質(zhì)安全度的時間過程曲線，為該工藝過程中的各個節(jié)點和全系統(tǒng)的安全設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)控和管理提供理論依據(jù)。本文主要研究冷凝脫水工藝節(jié)點的非穩(wěn)態(tài)過程熱力學(xué)和本質(zhì)安全分析。

裂解氣中帶有大量的水蒸氣，在精餾之前必須進行脫水操作，否則將會影響精餾段的效率，嚴(yán)重時甚至引起爆炸事故[2]。裂解氣含有飽和水蒸氣，因而可以選用直接接觸式填料冷卻塔[3]。直接接觸式填料冷卻塔以往的熱力學(xué)和安全分析只是考慮穩(wěn)態(tài)的情況[4]，但在實際生產(chǎn)中，安全事故的發(fā)生往往是在設(shè)備處于非穩(wěn)態(tài)運行過程中。近年來，一些學(xué)者對間壁傳熱(如管殼式換熱器)的非穩(wěn)態(tài)過程進行了瞬態(tài)換熱分析研究[4-5]，但關(guān)于直接接觸式填料冷卻塔傳熱的非穩(wěn)態(tài)過程分析，卻未見相關(guān)研究報道。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多種化工過程本質(zhì)安全定量評價技術(shù)方法，如本質(zhì)安全指標(biāo)(ISI)以及基于模糊理論的評價方法等[6-8]，但這些技術(shù)方法大多應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)過程，在非穩(wěn)態(tài)過程本質(zhì)安全分析中卻鮮有報道。

本文針對某地區(qū)一套實際運行中的TFE單體生產(chǎn)裝置，對冷凝脫水節(jié)點中裂解氣和冷凝液間的傳熱行為，建立了TFE冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)傳熱過程物理和數(shù)學(xué)模型[9]，并借助MATLAB軟件進行模擬迭代計算；以TFE冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)過程熱力學(xué)分析為基礎(chǔ)，將基于模糊綜合評價的指數(shù)模型應(yīng)用于非穩(wěn)態(tài)過程中，形成其非穩(wěn)態(tài)本質(zhì)安全度的時間過程曲線。

1 冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)傳熱過程

1.1 物理和數(shù)學(xué)模型的建立

該冷凝脫水節(jié)點的主要設(shè)備為直接接觸式填料冷卻塔。為說明問題而又不失一般性，對其進行如下簡化假設(shè)(如圖1)：

(1)填料以及冷凝器的間壁熱容可忽略；

(2)裂解氣為F22和TFE組成的混合氣體，冷凝液為液態(tài)水，流量恒定且無損失；

(3)裂解氣和冷凝液為對流傳熱，無相變；

(4)裂解氣和冷凝液的定比熱容、傳熱系數(shù)為定值；

(5)在填料塔的同一水平截面各點溫度相同?；谏鲜龊喕詿崃縿討B(tài)平衡方程為基礎(chǔ)，分別建立裂解氣和冷凝液非穩(wěn)態(tài)過程的熱平衡數(shù)學(xué)模型。

圖1 冷凝脫水塔數(shù)學(xué)模型簡圖

裂解氣：

(1)

冷凝液：

(2)

式中：U為裂解氣與冷凝液間的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；G1，G2分別為裂解氣和冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s；c1,c2分別為裂解氣和冷凝液的比定壓熱容，J/(kg·K)；M1，M2分別為裂解氣和冷凝液在冷凝脫水塔中單位長度的質(zhì)量，kg/m;r為塔半徑，m;a為填料的有效比表面積，m2/m1;T1,T2分別為裂解氣和冷凝液溫度，K。

根據(jù)有限差分的思路，當(dāng)時間和空間步長取得足夠小時，偏微分項可以用有限差分來近似，從而得到冷凝脫水塔的離散狀態(tài)空間模型[9]，則(1)(2)式可化簡為：

(3)

根據(jù)式(3)和(4)制定冷凝脫水傳熱模擬計算策略，基本參數(shù)及邊界條件列于表1中。

表1 冷凝脫水節(jié)點基本參數(shù)及邊界條件

*Q計算；傳熱系數(shù)由實際運行數(shù)據(jù)計算所得。

1.2 計算結(jié)果及分析

借助MATLAB軟件，利用GS迭代方法進行模擬數(shù)值計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 裂解氣(a)和冷凝液(b)出口溫度隨時間的變化曲線

由圖2(a)可知，裂解氣出口溫度在短時間內(nèi)迅速降低，在t=15s時達到最小值，為292.72K，隨后緩慢上升經(jīng)過62s，即t=77s時達到293.41K，并在之后的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。這是由于換熱開始的瞬間，系統(tǒng)的傳熱溫差最大，導(dǎo)致裂解氣的溫度下降幅度也相當(dāng)大，隨著傳熱的進行，系統(tǒng)傳熱溫差逐漸減小，致使裂解氣的出口溫度維持相對穩(wěn)定。

由圖2(b)可知，當(dāng)裂解氣出口溫度達到穩(wěn)定后，冷凝液仍未達到穩(wěn)定，此時裂解氣傳遞給冷凝液

的熱量，一部分用于冷凝脫水器內(nèi)冷凝液溫度的升高，一部分伴隨冷凝液流出。這是由于裂解氣的比熱(717J/kg·K)遠(yuǎn)小于冷凝液的比熱(4188J/kg·K)，故在裂解氣出口溫度穩(wěn)定時，冷凝液的溫度還需要持續(xù)升溫來平衡流出的冷凝液攜帶熱量的不足，在裂解氣出口溫度達到穩(wěn)定后的56s，即t=133s時，冷凝液溫度才達到穩(wěn)態(tài)，為288.11K。此時冷凝脫水器內(nèi)裂解氣釋放的熱量等于冷凝液出口所帶走的熱量，系統(tǒng)達到穩(wěn)定，且冷凝液和裂解氣的出口溫度均保持不變。

1.3 穩(wěn)態(tài)運行實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

該裝置實際運行參數(shù)測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，冷凝脫水節(jié)點中水蒸氣的量相對TFE和F22量很少，故將冷凝脫水節(jié)點的裂解氣看成是TFE和F22組成的混合氣體的假設(shè)是合理的。TFE、F22穩(wěn)態(tài)運行時出口溫度為293.15K、288.15K，與計算結(jié)果達到穩(wěn)態(tài)時的數(shù)據(jù)293.41K和288.11K是相近的，說明了該模型的合理性和可用性。

表2 冷凝脫水節(jié)點穩(wěn)態(tài)運行實測數(shù)據(jù)

2 冷凝脫水節(jié)點本質(zhì)安全分析

2.1 本質(zhì)安全度依據(jù)的指標(biāo)體系

本質(zhì)安全化的思想是根據(jù)科學(xué)原理來改進設(shè)計，以消除或降低工藝、設(shè)備中的危險性[13]。本質(zhì)安全評價指標(biāo)是對系統(tǒng)本質(zhì)安全水平的某一方面進行數(shù)值表達的一種形式或計量尺度。

冷凝脫水節(jié)點本質(zhì)安全指標(biāo)體系由三個層次構(gòu)成，第一層為冷凝脫水節(jié)點本質(zhì)安全度，綜合表達系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平；第二層按照生產(chǎn)過程危險性的來源分為三個方面，即物料危險性、脫水工藝危險性和冷凝塔危險性；第三層為具體的指標(biāo)，在物料危險性中主要考慮TFE火災(zāi)危險、爆炸危險、毒性、自聚危險性和物質(zhì)活性5項指標(biāo)，脫水工藝危險中主要考慮裂解氣進料量、溫度、壓力和反應(yīng)危險性4項指標(biāo)，冷凝塔危險性中主要考慮裝置的類型、腐蝕速率和故障概率3項指標(biāo)。

2.2 指標(biāo)的隸屬函數(shù)及本質(zhì)安全度計算

考慮到冷凝脫水節(jié)點涉及低溫操作工藝，故參照ISI分級方法進行分級[11]。為了克服指標(biāo)相鄰區(qū)間邊界跳躍的問題，利用MATLAB模糊邏輯推理工具箱，采用if-then模糊規(guī)則，設(shè)計各指標(biāo)輸入隸屬函數(shù)和本質(zhì)安全度輸出隸屬函數(shù)[12]。參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和其它相關(guān)指數(shù)模型，確定了各指標(biāo)的輸入隸屬函數(shù)，其重疊范圍設(shè)計為50%?！皽囟取敝笜?biāo)參數(shù)分級及隸屬函數(shù)如表3所示。

表3 “溫度”指標(biāo)參數(shù)分級及隸屬函數(shù)

利用面積重心法逆模糊化，采用統(tǒng)一的輸出隸屬函數(shù)計算各指標(biāo)的本質(zhì)安全度。取值區(qū)間設(shè)定為[0, 1]，表示系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平逐漸升高。

2.3 系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)過程本質(zhì)安全度計算

冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)運行過程中，物料危險性和冷凝塔危險性所對應(yīng)的指標(biāo)本質(zhì)安全度均為定值，系統(tǒng)本質(zhì)安全度的變化主要是脫水工藝危險中溫度指標(biāo)參數(shù)引起的。根據(jù)冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的熱力學(xué)曲線圖，選取不同時間節(jié)點裂解氣出口溫度作為系統(tǒng)溫度，分別計算不同時間節(jié)點系統(tǒng)的本質(zhì)安全度，從而生成冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)過程的本質(zhì)安全度曲線。

各指標(biāo)初始權(quán)重依據(jù)ISI方法[12]進行選取，結(jié)合變權(quán)思想[13]對每一指標(biāo)進行權(quán)重分配。系統(tǒng)本質(zhì)安全度采用最壞模式型，按式(5)進行計算：

S=W×I

(5)

式中，S為系統(tǒng)本質(zhì)安全度；W為各指標(biāo)權(quán)重集；I為各指標(biāo)本質(zhì)安全度集。

2.4 計算結(jié)果與討論

由圖3可知，在冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，本質(zhì)安全度先升高后降低，隨后保持穩(wěn)定。這是由于隨著非穩(wěn)態(tài)傳熱的進行，裂解氣出口溫度變化所引起的。溫度指標(biāo)的分級考慮到低溫影響273.15～343.15K區(qū)間本質(zhì)安全度高于0～273.15K區(qū)間的本質(zhì)安全度。在t=0s時，裂解氣出口溫度為313.15K，隨著與冷凝液進行換熱，出口溫度逐漸降低，當(dāng)降至308.15K時，系統(tǒng)本質(zhì)安全度曲線出現(xiàn)峰值0.589，伴隨溫度的持續(xù)下降本質(zhì)安全度也開始降低，在t=77s時，系統(tǒng)的本質(zhì)安全度達到穩(wěn)定，為0.582。

冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)過程的本質(zhì)安全度曲線均在0.58以上，表明雖為非穩(wěn)態(tài)過程，但仍處于相對安全狀態(tài)，在實際的生產(chǎn)過程中可以對該節(jié)點的操作條件留有較為寬裕的調(diào)節(jié)幅度。

圖3 冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)本質(zhì)安全度的時間過程曲線

F22水蒸氣稀釋裂解生產(chǎn)TFE的工藝系統(tǒng)包含一系列的傳熱、傳質(zhì)和分離單元節(jié)點，采取同樣方法進行分析，應(yīng)該也可以得到各個節(jié)點的非穩(wěn)態(tài)本質(zhì)安全度的時間過程曲線。

3 結(jié)論

(1)以非穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)計算為基礎(chǔ)，建立的工藝過程節(jié)點本質(zhì)安全指標(biāo)評價體系和基于變權(quán)思想的模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型，可以有效地對冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)過程進行本質(zhì)安全度的量化；通過對非穩(wěn)態(tài)過程中物料、脫水工藝和冷凝塔危險性的分析計算，生成的非穩(wěn)態(tài)本質(zhì)安全度的時間過程曲線，可為TFE冷凝脫水節(jié)點相關(guān)的安全設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)控和管理提供理論依據(jù)。

(2)冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的計算結(jié)果與現(xiàn)行工業(yè)裝置實際運行的測試數(shù)據(jù)相吻合，說明了所建立模型和計算方法的合理性和可用性。

(3)冷凝脫水節(jié)點非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的建模和計算方法對F22水蒸氣稀釋裂解生產(chǎn)TFE系統(tǒng)中其它節(jié)點具有借鑒意義，因此可為整個系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)本質(zhì)安全分析提供參考。

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Inherent Safety of TFE Production for F22 Cracking-Condensation Dehydration Unsteady Analysis

GuoShimeng,ZengJiying,QinYangmei,XiaoZeyi

(SchoolofchemicalEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China)

The unsteady thermodynamics and inherent safety analysis of the condensate dehydration unit in the TFE production process of F22 cracking were carried out. Based on the thermal equilibrium equation, the physical and mathematical models of unsteady heat transfer in condensing dehydration of TFE were established for the heat transfer between cracking gas and condensate. The finite difference method was used to simulate the unsteady heat transfer in dehydration process by the iterative calculation with MATLAB software. The calculation was confirmed with feasibility and availability in accordance with the actual operation data of a current TFE plant. Based on the unsteady calculation, the fuzzy comprehensive evaluation index model was used to analyze the inherent safety of the unit. The time course profile of the inherent safety of the unsteady process can be generated, which can provide the theoretical basis for the safety design, construction, monitoring and management of the TFE condensate dehydration node in this process.

TFE; inherent safety; condensation dehydration; unsteady thermodynamics; fuzzy comprehensive evaluation

四川省安全生產(chǎn)科技項目(scaqjgjc_stp_20150018)