劉沙沙，畢穎

（沈陽化工大學 環(huán)境與安全工程學院，遼寧 沈陽 1110142）

甲醇作為一種清潔能源，被廣泛地應用于化工領(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)品危險性大，容易造成中毒、火災、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，對系統(tǒng)進行合理優(yōu)化之后，用傳統(tǒng)的HAZOP 分析辨識系統(tǒng)中的危險源，用流程模擬軟件對重大危險因素進行模擬有重大的理論價值與現(xiàn)實意義。但是目前粗甲醇精餾使用的風險分析方法仍然是傳統(tǒng)的危險性與可操作性分析方法。

危險性與可操作性分析（HAZOP）的目標在于辨識系統(tǒng)中的危險因素，通過研究設(shè)計偏離情況，解決系統(tǒng)中的危險問題，并提出針對性的解決方案[1-2]。傳統(tǒng)的HAZOP 分析是通過專家小組進行評價的，受到人員知識及經(jīng)驗的影響，評價結(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，國內(nèi)外學者對定量HAZOP研究并取得了進展：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行定量風險分析[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，采用嚴格的數(shù)學方法客觀的模擬化工過程中的實際情況[5-6]，相比其他模擬軟件，Aspen Plus 具有更多的數(shù)據(jù)庫，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，對偏差進行定量分析，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，粗甲醇進料流量36 000 kg/h，進料溫度40 ℃，進料壓力1 000 kPa。生產(chǎn)指標要求甲醇含量（質(zhì)量分數(shù)）≥0.99，精甲醇回收率≥99.0%。在滿足生產(chǎn)指標的前提下，運用Aspen Plus 軟件模擬實現(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，加壓塔與常壓塔均采用嚴格精餾RadFrac 模型。工藝流程圖如圖1 所示，來自合成工段的粗甲醇氣體加熱后進入預精餾塔，低于甲醇沸點的餾分（如二甲醚等）從預精餾塔的塔頂逸出，液相回流，經(jīng)過換熱器加熱后進入加壓塔，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 進料位置的的影響

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

圖2 進料位置對加壓塔產(chǎn)品質(zhì)量的影響

由圖3 看出，常壓塔進料位置的變化對塔頂甲醇含量、乙醇含量有一定的影響。進料位置從第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，當進料位置從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，常壓塔最佳進料位置為第40 塊理論板。

圖3 常壓塔進料位置對常壓塔產(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)標準內(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，當常壓塔回流比增至3 時，塔頂甲醇含量最多，乙醇含量最少，且滿足生產(chǎn)標準，因此，常壓塔適宜的回流比為3。

圖5 常壓塔回流比對常壓塔產(chǎn)品質(zhì)量的影響

1.2.3 模擬結(jié)果

運用流程模擬軟件對雙效精餾系統(tǒng)進行模擬分析，得到了滿足生產(chǎn)指標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，依據(jù)專家組成員的討論，最終確定進料溫度、進料流量不合理這一偏差會導致超溫、超壓、產(chǎn)品質(zhì)量不合格，影響精餾效果。甲醇精餾反應中所涉及的物質(zhì)具有火災爆炸危險性，一旦泄露將會威脅人的生命健康與財產(chǎn)安全，風險等級較高[9-10]。

1.4 HAZOP 定量化分析

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

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 進料流量、進料溫度偏差對加壓塔冷凝器和再沸器熱負荷的影響

圖7 進料流量、進料溫度偏差對常壓塔冷凝器和再沸器熱負荷的影響

根據(jù)經(jīng)驗，兩設(shè)備功率的安全范圍上下浮動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)，進料量的偏差使兩塔的熱負荷接近一次函數(shù)增長，當進料量達到43 200 kg/h 時，即相對偏差在20%左右時，加壓塔、常壓塔冷凝器與再沸器熱負荷均達到安全閾值。一旦進料流量過大，大于43 200 kg/h 且持續(xù)一段時間，將對精餾塔不利。冷凝器、再沸器長時過載工作，導致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。蒸汽不斷增加，導致液泛。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。當進料量小于43 200 kg/h，兩塔冷凝器與再沸器熱負荷均在安全閾值內(nèi)，進料量的合理選擇會使傳質(zhì)效果變好。雖然進料流量在18 000～36 000 kg/h，即偏差在-50%～0%范圍內(nèi)，兩塔熱負荷均在安全閾值內(nèi)，但進料量偏低引起蒸氣上升變慢，導致分離速度慢。因此，進料量在36 000～43 200 kg/h之間，即偏差在0%～20%范圍內(nèi)。

由圖8 可知，隨著甲醇進料量的增加，產(chǎn)品回收率呈下降趨勢，為使產(chǎn)品回收率達到指標99%，即甲醇進料含量在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 甲醇進料組成偏差對產(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 分析得到進料量波動范圍應在0%～20%，甲醇進料組成應在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)。再次運用定量HAZOP 分析方法，定量的分析了進料流量、甲醇進料組成偏差對系統(tǒng)的影響，結(jié)論如下：

1）應用流程模擬軟件Aspen Plus 基于平衡級模型的RadFrac 模塊，對甲醇雙效精餾系統(tǒng)進行模擬分析，分析進料位置、回流比等操作參數(shù)對系統(tǒng)的影響，在同時滿足生產(chǎn)標準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)合實現(xiàn)了甲醇精餾的定量HAZOP 分析，通過對進料流量、甲醇進料組成設(shè)置波動范圍，得到了偏差對系統(tǒng)的影響。

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