基于DOW指數法的己內酰胺生產工藝安全分析

郭 凡 於孝春 袁東明

(南京工業大學機械與動力工程學院)

己內酰胺是現代制造工業中化纖和工程塑料的重要原料[1]，其主要用途是通過聚合生成尼龍或錦綸，進一步加工成工程塑料及塑料薄膜等。隨著己內酰胺生產需求量的增大，越來越多的廠家建立己內酰胺生產車間，裝置風險也隨之增加，因此盡可能地降低火災、爆炸事故的發生已經迫在眉睫。HPO法是目前應用最廣泛的己內酰胺合成工藝，其產流程主要包括環己酮制備、環己酮肟化和重排3大工序。針對某公司的HPO法己內酰胺合成工藝，分析其生產過程中工藝、設備和物質的險性，利用道化學(DOW)火災、爆炸指數評價方法對整個裝置、生產過程進行安全評價，找到存在較大風險的單元，及時采取補償措施，盡可能地減少事故的發生，減少盲目性，保證生產有條穩步地進行，保障人身安全，減少企業的經濟損失[2～4]。

1 己內酰胺工藝過程火災、爆炸危險性分析

己內酰胺裝置在生產過程中涉及到的物質主要有環己烷、環己酮、環己醇、環己酮肟及己內酰胺等，生產過程中涉及到的主要危險物品主要有苯、甲苯、氫氣、氮氣、氨水、發煙硫酸、廢堿液及焦油等。己內酰胺生產過程中易燃、易爆、有毒物質繁多，結合己內酰胺整套裝置的生產過程特點，筆者從以下幾個方面分析工藝和設備存在的主要危險因素[5]：

a. 己內酰胺生產裝置中設備繁多，工程工藝先進，生產工序非常復雜，充分體現了高度自動化、密閉化和連續化的特點。但一旦某一部件發生失效故障，不僅給企業帶來停產困擾，更有可能對人員和財產造成極大損失。

b. 每個單元的生產設備繁多，極易出現操作上的紕漏，如設備的溫度及壓力等參數控制不當，就會造成反應失控；聯鎖和監測儀器運行不當，部件失靈無法保證安全生產；設備不及時檢修就會忽略各種失效跡象，導致設備發生泄漏等危險，造成無法預測的損失。

c. 生產過程中涉及的工藝介質多種多樣，產品和中間物質多數具有揮發性及毒性等，若工藝參數控制不當，極易引發重大事故，如發煙硫酸和堿液的濃度超過一定濃度時，會嚴重腐蝕設備，甚至污染環境。

d. 生產作業場所人員的違規操作活動。一些突發事故(如停水、停電等)發生時，操作人員的違規操作也會造成火災、爆炸及中毒等事故的發生。

e. 整套己內酰胺裝置的管道、儲罐和貯槽很多，長期操作過程中，在熱力、應力和環境的共同作用下，也會發生失效故障。

2 DOW火災、爆炸指數法評價

2.1 選取評價單元

筆者僅選取苯加氫反應單元、環己烷氧化分解反應單元、羥胺制備單元、氨氧化單元、肟化反應單元和環己酮肟重排單元為評價對象：

a. 苯加氫反應單元。該單元主要危險物質為氫氣、苯及輕油等，屬于高溫高壓過程，操作溫度為573℃，操作壓力為3 400kPa。

b. 環己烷氧化分解反應單元。該單元主要是將環己烷氧化成環己基過氧化氫，在催化劑作用下分解為粗醇酮物質，副產品是有機酸，具有腐蝕性，屬于易燃易爆過程，操作溫度為473℃ ，操作壓力約為611kPa[6,7]。

c. 氨氧化單元。該單元主要是對煤氣中所含的氨進行回收，主要危險物質為煤氣，屬于常溫常壓過程。

d. 羥胺制備單元。該單元的主要物質是氨氣、氨水、磷酸、硝酸及氫氣等，屬于腐蝕環境，反應要求達到2 650kPa的操作條件，溫度為55℃，反應異常時，危險性很大。

e. 肟化反應單元。該單元中環己酮在甲苯溶液中與磷酸、羥胺進行肟化反應，生成環己酮肟，反應溫度為50℃，危險物質為甲苯及環己酮等，溫度控制嚴格，極易結晶堵塞。

f. 環己酮肟重排單元。該單元的主要介質為發煙硫酸、轉位酯、肟及SO3等，處于腐蝕環境，溫度165℃，壓力1 480kPa，極易發生副反應失控，危險性大[8]。

上述6個單元的物質危險特性與主要設備見表1、2。

表1 物質危險特性

*空氣的相對密度為1。

表2 評價單元的主要設備

2.2 評價單元物質系數MF確定

計算火災、爆炸指數的及評價其他危險性時，物質系數MF是最基礎的參數，對照DOW指數法的物質系數和特性表，確定評價單元的危險物質分量和系數：

a. 苯加氫反應單元。該單元的主要物質為苯和氫氣，苯的危險性大、燃燒熱值高、含量大，故選取苯為重要物質，其物質系數為1。

b. 環己烷氧化分解反應單元。該單元的主要物質為環己烷和氧氣，環己烷為危險物質，其物質系數為16。

c. 羥胺制備單元。該單元的主要物質為銨根、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，其物質系數為29。

d. 氨氧化技術單元。該單元的主要物質為氨氣和氧氣，氨氣占最大比例，危險性較大，故選取氨為重要物質，其物質系數為4。

e. 肟化反應單元。該單元的主要物質為環己酮，故選取環己酮為重要物質，其物質系數為14。

f. 環己酮肟重排單元。該單元的主要物質為己內酰胺，故取己內酰胺為重要物質，其物質系數為14。

2.3 確定評價對象單元工藝危險系數F3

確定工藝單元危險系數F3時，需要分別確定一般工藝危險性系數F1和特殊工藝危險性系數F2。一般工藝危險性是確定事故危險程度的主要因素，主要包括放熱反應、吸熱反應、物質貯藏與輸送、封閉結構、通道和排放、泄漏(表3)。特殊工藝危險性是導致事故發生的主要因素，主要包括毒性物質、負壓操作、在爆炸極限范圍內或其附近操作、粉塵爆炸、壓力釋放、低溫、易燃物質與不穩定物質數量、腐蝕、明火設備、熱油交換系統、轉動設備和軸封與接頭處的泄漏共12項內容(表4)。

表3 評價單元一般工藝危險系數F1

表4 評價單元特殊工藝危險系數F2

評價單元危險系數F3是一般工藝危險系數F1與特殊工藝危險系數F2的乘積，即F3=F1×F2。經計算每個評價單元的危險系數F3依次為12.600、10.586、5.310、6.300、10.452、5.436。

2.4 計算火災、爆炸指數(F&EI)

火災、爆炸指數是用來估算己內酰胺裝置在生產過程中發生事故后可能造成的破壞狀況，是物質系數MF與單元危險系數F3的乘積，即F&EI=MF×F3。F&EI危險等級和評價單元危險等級見表5、6。

表5 F&EI危險等級

表6 評價單元F&EI危險等級

從表6中所列的數據可以看出：苯加氫反應單元，環己烷氧化分解反應單元，氨氧化單元和肟化反應單元的火災、爆炸指數F&EI的值很高，危險等級為非常大和很大，使生產裝置的潛在風險性極高。因此需提出安全措施對其進行補償修正，以降低風險等級[8]。

2.5 安全措施補償系數

安全措施主要分為工藝控制、物質隔離和防火措施，補償系數分別為C1、C2、C3(表7～9)，安全補償系數C=C1×C2×C3。對每個評價單元進行補償修正后，可根據F&EI-1=F&EI×C得到新的F&EI等級(表10)。

表7 工藝控制安全補償系數C1

表8 工藝控制安全補償系數C2

表9 防火措施安全補償系數C3

表10 評價單元進行補償修正后新的F&EI等級

從表7～9可以看出：抑爆措施、冷卻裝置、連鎖裝置、消防系統及檢測泄漏裝置等為主要補償措施[10]。因此在生產區域、裝置和建筑物間均需設置足夠的防火安全間距，道路需要根據消防車對通道的要求進行設計與布置；產生燃爆性氣體和粉塵的廠房內需采取相應的通風、除塵措施，以降低爆炸性物質濃度，使其低于燃爆下限；存在易燃、易爆物質的設備和管道需采取相應的防靜電措施；設置超壓報警、安全連鎖和自動切斷煤氣裝置；易爆設備和管線進行開、停機時需設有蒸汽吹掃裝置；消防系統應設專用消防給泵，以保證消防時的水壓、水量要求，室內、外按消防規范設置消火栓、干粉滅火器及手提式磷酸銨鹽滅火器等；應保證系統各冷卻系統正常運行，冷卻水循環合理；需定期檢測設備安全狀況，保證液位、溫度及壓力等參數穩定。

經過上述補償修正后，苯加氫反應單元、環己烷氧化分解反應單元、氨氧化單元和肟化反應單元的F&EI變小，F&EI等級變為中等危險等級，造成的危險性也減小，為裝置的安全運行提供了可靠保障。

3 結束語

結合己內酰胺整套裝置的生產過程特點，分析了工藝和設備存在的主要危險因素，以主要單元的工藝特點和物質特性為危險性分析對象，利用DOW指數法進行評價、分析，并從安全措施入手降低單元的風險等級，為裝置的安全運行提供了可靠保障，以便于開展后續的裝置完整性分析與管理工作。

[1] 鄭艷，黃文君，柳明明，等.己內酰胺生產裝置仿真培訓系統的開發[J].化工自動化及儀表，2013，40(12)：1565～1567.

[2] 李明，伍小明. 己內酰胺生產技術進展及國內市場分析[J]. 江蘇化工， 2007，35(5): 57～61.

[3] 何建輝，宋新，馮美平，等.世界聚酰胺纖維產業鏈現狀及發展趨勢[J]. 合成纖維工業，2013，36(3):38～43.

[4] 范冰. 己內酰胺生產的現狀與展望[J]. 石油化學工業， 1994，23(10): 679～686.

[5] GB 18218-2000，重大危險源辨識標準[S].北京：中國標準出版社，2001.

[6] Westerterp K P, Molga E J.Safety and Runaway Prevention in Batch and Semibatch Reactors-a Review[J].Chemical Engineering Research and Design,2006,84(7) : 543～552.

[7] 錢偉.苯加氫裝置設備運行管理[J].河北化工， 2009，32(3):61～63.

[8] 喻健良，閆興青，劉顯凡，等. 環己酮氨肟化工藝最危險場景確定[J]. 化學工程，2012,40(4):67～69.

[9] 楊昆，孫世群，郭樹松. 道化法在火災爆炸危險性評價中的應用[J]. 安徽化工，2007, 33(3): 39～41.

[10] 陳寶智. 危險源辯識、控制及評價[M]. 成都：四川科學技術出版社，1996.