化工安全生產在化工仿真培訓系統中的體現

劉春艷 湯寶全(.承德石油高等專科學校化工系, 河北 承德 067000;.中國石油華北石化公司, 河北 任丘 06550)

化工生產具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、有腐蝕性等特點，在正常運行中經常發生火災、爆炸、中毒等事故，而且造成的后果嚴重。不僅國家財產出現重大損失，還伴有生產操作人員的傷亡現象，因而較其他工業部門有更大的危險性。

當前世界各國化工企業的發展趨勢都是生產裝置大型化，因為采用大型生產裝置可以有效降低建設投入和單位產品的生產成本，提高勞動生產能力，有利于資源的充分利用和能耗的降低。由于化工生產和儲存規模擴大，通常都是重大危險源，因此要切實加強安全管理。

化工生產由作坊手工生產轉變為高度自動化生產，由間歇生產轉變為連續化生產過程，生產設備改進為密閉式，大型生產裝置佇立在室外，生產操作通過計算機控制，將儀表自動化和集散控制系統應用于化工生產過程，所有這些都對生產人員的理論技術水平和裝置操作能力提出了更高的要求，否則一旦出錯就會造成巨大的經濟損失和人員傷害。由于化工生產必須確保安全、穩定、連續化滿負荷生產，企業新進員工要經過化工仿真培訓，并通過考核后才可以滿足這一要求。

企業使用的化工仿真培訓系統基于對典型化工生產過程的模擬，如：實際的生產現場、裝置設備、DCS操作站和關鍵工藝參數的實時趨勢動態。這樣的設計理念使得培訓人員獲得更真實的工作環境體會，了解生產過程的工藝說明，熟悉裝置的流程路線，具備分析問題、解決問題的能力，會操作生產設備，更為重要的是獲得預防事故、處理事故的能力。

1 以間歇操作釜式反應器單元為例

根據真實化工生產過程，北京化工大學與西門子(中國)公司聯合推出的MPCE-1000高級多功能過程控制實訓系統，適用于化工企業員工和化工專業各層次學生的培訓而設計。其中的硫化促進劑間歇操作釜式反應器單元，模擬了2-巰基苯并噻唑的實際生產過程，包括反應中的化學和物理變化，模擬了一些關鍵工藝指標的控制要求，通過仿真控制網絡的反饋操作，形成了一個現實的工藝生產過程，更具有工業背景。特別在開車操作過程中，通過對操作要點的條件設置，體現了化工安全生產的要求，強化了培訓人員的安全生產意識。

來自備料工序的S、Na2S和水在R1反應器中制備多硫化鈉，并送入F1沉淀罐中；CS2、C6H4ClNO2則分別注入F4、F5計量罐，三種反應原料經靜置沉淀后注入R2反應釜中。反應釜夾套內通蒸汽和冷卻水，釜內設蛇管通冷卻水，共同調節反應釜溫度來控制主反應速度和副反應速度，提高反應過程的安全保障和獲得較高的目的產品收率。

2 多硫化鈉的來料過程和控制

仿真過程：向F1沉淀罐進多硫化鈉，待液位至3.60米時關閉進料閥，靜置4分鐘(實際4小時)備用。

在仿真操作過程中，很多培訓人員不理解靜置時間設置的需要，不能嚴格等待4分鐘，而進入下一步驟的操作，出現操作過程錯誤的扣分現象。這就是一個化工安全生產需要重視的問題：多硫化鈉(Na2Sn)中的含硫數n。實踐證明，隨著含硫數n的增加，硫化促進劑的縮合反應產率相應提高；但當n增加到4時，產率趨于穩定；當n過高時，縮合反應中游離硫的數目開始增加。游離的硫結集在蛇管和夾套上，覆蓋傳熱面而影響傳熱，進而影響反應過程中壓力的控制。因此，多硫化鈉(Na2Sn)中的n取2～4之間，多余的硫應除去。

R1是敞開式多硫化鈉反應槽。用HV-1手操閥加硫化鈉，用HV-2手操閥加硫磺，用HV-3手操閥加水，用HV-4直接通入蒸汽加熱。反應槽設有攪拌，其電機開關為M01。反應槽液位由H-1指示，單位m，溫度由T1指示。R1中制備完成的多硫化鈉通過M3泵打入F1立式圓桶形沉淀槽。液位由H-2指示，單位m。經沉淀的多硫化鈉清液從F1沉淀層的上部引出，通過M4泵及V16出口閥打入R2反應釜。F1中的固體沉淀物從底部定期排污。

3 間歇反應釜的壓力控制

仿真過程：反應釜中壓力不大于0.8 MPa。

間歇反應釜內部承受反應壓力，是對安全性有較高要求的密閉容器。在使用中如果出現超壓現象，則有爆炸的危險，不僅設備自身遭到毀壞，還會破壞周圍的生產裝置和建筑物，甚至發生連鎖反應，釀成災難性事故。為使該反應釜操作在確保安全的前提下達到設計先進，結構合理的目的，仿真軟件設置了HV-21 反應釜放空閥和V26 反應釜安全閥的壓力保護系統。

該縮合反應劇烈階段約維持在120℃左右，當反應溫度大于128℃相當于壓力超過0.8 MPa時，已處于事故狀態，將會報警扣分。此時要立刻關閉M2攪拌電機，R2反應釜中的物料停止攪拌而沉降分層，反應速率快速降低。如果反應溫度大于150℃，即壓力超過1.20MPa，屬于超壓危險狀況，系統會再次報警扣分。此時應迅速打開HV-21放空閥，強行瀉出反應釜壓力。在放空泄壓過程中會造成CS2蒸汽的散失，同時也會污染大氣，所以壓力一旦恢復至安全值，應立刻關閉HV-21放空閥，如果壓力再度上升，可多次操作；但是，CS2的散失可直接影響目的產物的產率。反應溫度大于160℃相當于壓力超過1.50 MPa，已接近爆炸事故，V26反應釜安全閥起動，間歇釜內壓頂起閥瓣，使其離開閥座，安全閥開啟，反應氣體一瀉而出，待間歇釜內壓力下降至安全值，閥瓣又緊壓閥座，保持釜內密封狀態。如果前三種超壓應急措施都不能見效，反應釜壓力升至1.60MPa以上，仿真系統將認定反應釜發生爆炸事故：緊急事故報警系統啟動，縮合過程被凍結，操作人員成績為零分。

4 反應釜的溫度控制

仿真過程：反應釜溫度應維持在120℃，可減弱副反應，提高硫化促進劑的主反應速度。

間歇反應釜的縮合反應過程可分為升溫階段、過渡階段、恒溫階段、出料階段。釜溫控制的重點在于反應初始的穩定和置換反應熱的準確快速。強烈的放熱反應在反應釜內進行時，若反應過程失控，聚集反應熱，反應溫度隨之升高，促使反應速度加快，反應壓力增大；如果壓力急劇上升超過反應釜的承壓上限時，釜壁破裂，高壓反應物料噴涌而出；同時，反應溫度上升過快，反應物料還可能發生分解、燃燒，引發火災或爆炸，釋放有毒有害物質。因此反應釜超溫的事故發生率高，損失嚴重，應極力避免。

先將CS2、C6H4ClNO2、多硫化鈉以一定比例加入到釜內進行攪拌，在夾套中通入蒸汽將釜溫升至45℃左右，縮合反應已經發生，并逐漸釋放反應熱，不斷加快反應速度。當反應溫度上升至65℃、壓力0.18MPa左右時，適當小量開啟HV-18夾套冷卻水閥門和HV-19蛇管冷卻水閥門，控制反應釜溫度和壓力的緩慢上升，避免急劇升壓現象。縮合反應在95～110℃，壓力0.41～0.55 MPa時進入劇烈難控階段，培訓人員需集中精力，關注HV-18閥和HV-19閥的調節，這一階段的調節重點在于既要繼續大膽升壓，又要謹慎避免超壓的出現。經過操作調節，將釜溫控制在120℃，壓力維持在0.68～0.70 MPa之間，并保持數據穩定，可有效減弱副反應的發生，使主反應充分進行，獲得盡可能高的目的產物產率。

5 安全聯鎖系統的投入

從以上內容我們可以了解，化工安全生產體現在間歇釜反應釜的操作中，壓力和溫度的控制是重中之重，為了防止裝置爆炸、著火、人員傷亡、中毒以及其他生產事故，必須對有危險性的生產部位、關鍵設備、工藝參數等關鍵環節設置監測系統，當生產出現異常時，迅速通過DCS集散控制系統，使裝置局部調整或全部停車。

但是操作人員在生產過程中的控制常常受精力和體力的限制，不能及時作出反應；或者由于大意疏忽等，對于工藝參數的調節關注度不夠，作出滯后和不可靠的操作；這都是化工安全事故發生的人為因素。為了保障化工生產裝置的安全運行，將反應溫度和壓力等關鍵工藝參數直接設定在計算機監控體系中，利用計算機的穩定、高效、及時反饋的特點，設置獨立于手動控制系統的安全聯鎖回路，在進料后，開啟反應釜攪拌電機之前，必須將本操作單元的連鎖控制開啟。反應溫度大于128℃時，相當于壓力超過0.8MPa，已處于事故狀態，如聯鎖開關處于“on”的狀態，聯鎖起動：開高壓冷卻水閥，關攪拌器，關加熱蒸汽閥。此時，釜內溫度、壓力急劇下降，攪拌器停止轉動，縮合反應終止，避免危險的發生，有效的保護設備和操作人員的安全。

6 結語

綜上所述，化工生產具有易燃、易爆、危險性大的特點，化工企業則發展成高度自動化、連續化和集成化的生產規模，因此化工生產過程必須在生產人員的熟練操作和嚴密監控下才能安全進行。化工仿真培訓系統為培訓人員提供了充分實踐的機會，可在計算機上反復進行開車、停車訓練，可以根據自己的具體情況有選擇的學習，優化操作方案等。可以設定各種事故和極限運行狀態進行考核，提高培訓人員的分析能力和在復雜情況下的決策能力，真實的生產環境決不允許這樣做。因此，高質量的化工仿真軟件在模擬工廠實際生產操作的同時，還應設置更多的安全生產工藝要求，使得廣大培訓人員學習和掌握必要的化工過程控制知識，更加重視化工安全生產的必要性，這是現代化工生產實現安全、優質、高效、低耗的基本條件和重要保證。

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