基于E T A的四溴雙酚A合成生產(chǎn)工藝安全分析

劉思洋

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163457）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們對具有阻燃特性的塑料制品的需求也呈現(xiàn)不斷提高的趨勢。四溴雙酚A作為雙酚A的衍生物，是常用的溴化阻燃劑之一，它既可以作為反應(yīng)型阻燃劑也可以作為添加劑型阻燃劑，被廣泛應(yīng)用于具有阻燃特性的高性能塑料制品添加劑中。在四溴雙酚A生產(chǎn)過程中，其產(chǎn)出物的品質(zhì)及生產(chǎn)過程的安全問題會受到多方面因素的綜合影響，其中生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)的可靠性直接影響著生產(chǎn)過程的安全性。近年來，國內(nèi)外已發(fā)生多起因物料反應(yīng)過程的不合理而造成的安全生產(chǎn)事故，例如2016年山東濰坊壽光海圣化學(xué)有限公司在生產(chǎn)車間進(jìn)行設(shè)備安裝時，因違章動火引發(fā)正在生產(chǎn)中的1#和3#四溴雙酚A低溫反應(yīng)釜內(nèi)可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸，事故造成8人死亡、5人受傷。四溴雙酚A制備是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要包括氯化雙酚A配料預(yù)處理系統(tǒng)、調(diào)壓計量系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、離心干燥系統(tǒng)等。劉建偉[1]在過氧化氫氧化溴代法制備四溴雙酚A的合成實驗中，研究了過氧化氫的用量、溶劑選擇、反應(yīng)溫度以及物料配比對合成實驗的的影響，選擇出最佳的合成工藝條件；張崴[2]針對四溴雙酚A裝置制冷機(jī)組制冷劑循環(huán)系統(tǒng)存在的冷量損失問題，探討了提高制冷系統(tǒng)制冷效率的途徑和措施；唐星三[3]介紹了溴素雙氧水同步滴加合成四溴雙酚A的工藝以及與其合成工藝降表的優(yōu)缺點(diǎn)。這些研究一定程度上促進(jìn)了四溴雙酚A安全高效的生產(chǎn)，但現(xiàn)有研究大多是通過改善生產(chǎn)工藝條件來提高生產(chǎn)安全，對生產(chǎn)工藝的可靠性缺乏定量研究。

目前針對生產(chǎn)工藝可靠性的研究方法較多，但由于缺乏必要的研究數(shù)據(jù)，多數(shù)評價方法只能停留在定性研究階段，無法全面反映影響化工生產(chǎn)安全的所有因素。事件樹分析（Event Tree Analysis，ETA）是建立在概率論和運(yùn)籌學(xué)基礎(chǔ)上，用以解決不確定性系統(tǒng)的決策問題具有很好的效果[4]。因此，本文采用ETA分析和專家評分法，對四溴雙酚A生產(chǎn)工藝的可靠性進(jìn)行定性和定量研究。

1 事件樹分析法介紹

1.1 事件樹定義

ETA是從一個起始事件開始，按照事件樹發(fā)展的順序考慮各環(huán)節(jié)事件成功或者失敗，預(yù)測各種可能結(jié)果的歸納分析方法[5-7]。逐一從所有可能的起始事件出發(fā)，通過ETA可以分析出復(fù)雜系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種事故模式及其后果，并能根據(jù)起始事件及各環(huán)節(jié)事件的概率計算各種結(jié)果的概率。

1.2 事件樹的基本原理及分析程序

ETA 的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程的決策輪，最初用于系統(tǒng)可靠性分析問題，它是用原件的可靠性表示系統(tǒng)的可靠性的系統(tǒng)分析方法，系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)都存在正常和失效兩種可能的狀態(tài)。按照系統(tǒng)的構(gòu)成狀況，順序分析各子系統(tǒng)成功和失效的可能，直到最后一個子系統(tǒng)，形成一個水平放置的樹狀圖。

通常而言，ETA的基本程序可以概括為如下的4個步驟：

（1）確定系統(tǒng)及其構(gòu)成因素，即明確待分析的對象及其范圍，找出系統(tǒng)的組成要素（子系統(tǒng)），明確其功能。

（2）確定可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障（事故）的起始事件。

（3）建造事件樹。對系統(tǒng)中直接受到起始事件影響或直接影響起始事件發(fā)展方向的要素，考慮其成功或失敗兩種狀態(tài)；以這些要素的成功或失敗為環(huán)節(jié)事件，進(jìn)一步分析其他要素受環(huán)節(jié)事件影響后的成功或失敗狀態(tài)，以此類推。

（4）進(jìn)行定量分析。根據(jù)起始事件和各環(huán)節(jié)事件的發(fā)生概率，計算各種結(jié)果的概率。

ETA分析的基本程序，如圖1。

圖1 E T A分析流程圖Fig.1 Analysis flow chart of ETA

2 四溴雙酚A生產(chǎn)工藝流程分析

2.1 主要原料分析

四溴雙酚A生產(chǎn)中涉及到的主要原料為雙酚A、溴素、雙氧水、氯苯。其物理化學(xué)性質(zhì)，見表1。

表1 四溴雙酚A主要原材料理化性質(zhì)表Tab.1 Physical and chemical properties of main raw materials of tetrabromobisphenol A

2.2 合成原理分析

該生產(chǎn)工藝采用過氧化氫氧化溴代法。在氯苯溶劑中，雙酚A和溴素在雙氧水的作用下生成四溴雙酚A，其反應(yīng)過程，如圖2。

圖2 四溴雙酚A合成原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the synthesis principle of tetrabromobisphenol A

2.3 生產(chǎn)工藝過程

四溴雙酚A生產(chǎn)工藝主要分為低溫溴化工序、高溫溴化工序、中和水洗工藝。其生產(chǎn)工藝過程，如圖3。

圖3 四溴雙酚A生產(chǎn)工藝過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the production process of tetrabromobisphenol A

3 四溴雙酚A制備事故隱患的事件樹構(gòu)建

本文根據(jù)四溴雙酚A生產(chǎn)工藝過程及化工行業(yè)對安全生產(chǎn)管理的相關(guān)要求，繪制了某化工企業(yè)四溴雙酚A的事故隱患檢查事件樹，如圖4，并進(jìn)行定量分析。最后將計算結(jié)果與給定的判定值進(jìn)行比較，當(dāng)事故隱患概率大于判定值，則認(rèn)為該生產(chǎn)工藝存在危險，應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施；當(dāng)事件樹事故隱患概率小于判定值，則判斷生產(chǎn)工藝暫不存在較大危險性。此處，事故隱患評判標(biāo)準(zhǔn)值的選定采用大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯著性檢驗P值及化工安全生產(chǎn)管理經(jīng)驗雙向評判[8]，并將P＞0.05作為判定生產(chǎn)系統(tǒng)存在危險的信號。

圖4 四溴雙酚A制備事故隱患事件樹Fig.4 Accident hazard event tree of tetrabromobisphenol A production

4 事件樹分析

4.1 事件樹各環(huán)節(jié)事件失效概率的分析

由于該化工企業(yè)缺乏四溴雙酚A生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)事件失效統(tǒng)計資料，難以直接采用統(tǒng)計學(xué)方法直接獲取[9]，本文對事件樹中各環(huán)節(jié)事件的失效概率，采用專家打分法確定各環(huán)節(jié)事件的實際影響值，見表2，并對影響值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各環(huán)節(jié)影響值通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射到[0-1]區(qū)間，具體處理方法如式（1）所示。

式中：

Ki—第i個環(huán)節(jié)事件的實際影響值；

ai—第i個環(huán)節(jié)事件的影響值；

ai,max—第i個環(huán)節(jié)事件的影響值的最大值；

ai,min—第i個環(huán)節(jié)事件的影響值的最小值（專家打分值）。

表2 生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)影響值專家打分計算表Tab.2 Production process, impact value, expert score calculation table

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備檢修記錄數(shù)據(jù)，為四溴雙酚A生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)進(jìn)行權(quán)數(shù)選擇，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備故障頻次進(jìn)行了分類，共計5個等級，各等級權(quán)重，見表3。

根據(jù)公式（2）確定四溴雙酚A生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)事件的失效概率，計算結(jié)果，見表4。

表3 四溴雙酚A生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)頻次及權(quán)數(shù)統(tǒng)計表Tab.3 Frequency and weight statistics of the production process of tetrabromobisphenol A

式中，

qi—第i個環(huán)節(jié)事件失效概率；

Ki—第i個環(huán)節(jié)事件實際影響值；ωi—第i個環(huán)節(jié)事件權(quán)數(shù)值。

表4 四溴雙酚A生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)失效概率計算表Tab.4 Calculation table of failure probability of each link in the production process of tetrabromobisphenol A

4.2 四溴雙酚A制備過程事故發(fā)生概率計算

根據(jù)圖4事件樹可知，四溴雙酚A制備過程事故發(fā)生的模式共有7種，見表5。根據(jù)布爾代數(shù)運(yùn)算法則，各環(huán)節(jié)事件的失效與否是獨(dú)立事件，且當(dāng)任一環(huán)節(jié)事件失效則說明事故的發(fā)生，因此只需計算每一種事故模式的發(fā)生概率，即可得到事故發(fā)生概率。

因此，可以計算出四溴雙酚A制備過程事故發(fā)生概率為

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)相關(guān)理論，取數(shù)據(jù)檢驗水平α=0.05，當(dāng)數(shù)據(jù)P值大于α值時，認(rèn)為數(shù)據(jù)與I類錯誤間無差異。在事故統(tǒng)計中，當(dāng)事故發(fā)生概率大于0.05時，即認(rèn)為事故發(fā)生概率過高，應(yīng)加強(qiáng)對生產(chǎn)工藝的安全隱患排查，企業(yè)應(yīng)當(dāng)啟動應(yīng)急預(yù)案，按照程序開展相應(yīng)的安全檢查和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等工作。

表5 四溴雙酚A制備過程事故模式分析表Tab.5 Analysis of accident mode of tetrabromobisphenol A preparation process

5 結(jié)論

計算結(jié)果表明采用ETA進(jìn)行四溴雙酚A合成生產(chǎn)工藝分析效果良好，但值得指出的是文中對各環(huán)節(jié)事件的影響度分析采用的專家打分法易受到專家主觀因素的影響，因此在分析時應(yīng)保證專家的評議是獨(dú)立的。文章主要結(jié)論有：

（1）采用事件樹方法構(gòu)建了以啟動信號為初始事件的四溴雙酚A合成生產(chǎn)工藝事件樹。

（2）在各環(huán)節(jié)事件失效概率計算時，通過專家打分和min-max標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理方法確定了生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)事件的影響度，同時采用HEART方法對工藝環(huán)節(jié)事件的失效概率進(jìn)行了計算。

（3）最后用布爾代數(shù)運(yùn)算法則計算得到四溴雙酚A制備過程事故發(fā)生概率為0.1273，高于統(tǒng)計分析檢驗水平，應(yīng)加強(qiáng)對生產(chǎn)工藝的安全隱患排查。