HAZOP在間二甲苯磺化裝置基礎設計中的應用

楊偉英 何峰(云南云天咨詢有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

間二甲苯磺化是指間二甲苯里的氫原子被硫酸分子里的磺酸基(-SO3H)所取代的反應。磺化過程中磺酸基取代碳原子上的氫稱為直接磺化，大多數芳香族化合物的磺化采用此法。反應生成的水使硫酸濃度下降、反應速率減慢，因此要用多量的磺化劑[1]。

磺化反應方程式為：

磺化反應工藝因其原料具有燃爆危險性，且磺化劑硫酸具有氧化性、強腐蝕性，在生產過程中如果投料順序顛倒、投料速度過快、攪拌不良、冷卻效果不佳等，都有可能造成反應溫度異常升高，使磺化反應變為燃燒反應，引起火災或爆炸事故[2]。磺化工藝屬國家首批重點監管的危險化工工藝，結合國家安監總局明確在涉及危險化工工藝裝置的設計和運行階段全面推廣HAZOP分析的要求，某公司間二甲苯磺化工藝在工程基礎設計階段組織相關人員開展了HAZOP分析。

1 HAZOP分析方法

HAZOP分析是對工藝中潛在的由于偏離設計意圖而出現的事故劇情與可操作性問題進行綜合分析，全面識別工藝系統的危險和設計缺陷，以及現有安全措施，特別是高風險、多原因和多后果的復雜劇情。充分判斷系統風險與安全措施，如果風險不可接受，提出消除或降低風險的建議措施[3]。

1.1 確定HAZOP分析步驟

根據間二甲苯磺化工藝特點及工藝基礎設計過程(HAZOP)分析要點，嚴格按照《危險與可操作性分析(HAZOP分析)應用導則》要求的分析程序，首先根據管道及儀表流程圖(P&ID)或操作規程劃分為分析節點，組建包括技術、設備、自控等人員組成的分析小組；其次做好分析準備工作，包括熟悉操作步驟，梳理工藝物流參數、設備參數、物料參數、行業風險發生事例等技術資料；接著用引導詞找出結果偏離的原因、后果、現有安全措施和建議措施；最后做好分析報告的編寫和跟蹤落實建議措施。

1.2 確定風險矩陣

本次分析所使用的風險矩陣借鑒我國大型企業長期實踐中形成的成熟的7×8形式的風險矩陣，具體如表1所示。結合風險矩陣，利用事故的后果嚴重等級和事故發生頻率等級在風險矩陣中計算事故的風險等級。事故發生概率從低到高分為8個等級。事故發生嚴重性結合行業特點，從造成人員傷亡、財產損失、環境危害、公司聲譽影響、法律法規風險5個方面進行綜合評價，從低到高分為7個等級。事故發生的嚴重性和可接受程度各家可根據自身特點制定。

風險等級分為4類，重大風險(紅色)為不可接受，要求必須在設計中完善；較大風險(橙色)為中等風險，要求在5年內技改中完善；一般風險(黃色)為低風險，要求通過提升操作和管理水平進行規避，并在10年內技改實施完善；低風險(藍色)為可接受風險。風險矩陣括號中每一個具體數字代表該風險的風險指數值，非絕對風險，最小為1，最大為200。

2 應用實例

2.1 工藝流程

將定量的二甲 苯、濃硫酸加入反應釜，其中二甲苯利用固定泵加料。向反應釜夾套通入蒸汽，將釜溫間接加熱到100℃左右并保溫，使二甲苯與濃硫酸反應生成二甲苯磺酸。磺化工序約3h。反應釜呼吸口設有二級冷凝裝置，揮發性物料大部分冷凝回流到反應釜，不凝氣主要為二甲苯、硫酸，通過管道直接到廢氣處理裝置。向反應釜夾套內通冷卻水，使得釜溫降到50℃。然后向反應釜內通入甲醇、雙氧水和水并保溫，經攪拌均勻后即為成品。攪拌工序持續3h。

表1 風險矩陣表

2.2 劇情分析示例

本次HAZOP分析以磺化工段工藝管道儀表流程圖(P&ID)以及工藝布置圖為分析對象，劃分了2個節點，如表2所示。

表2 HAZOP分析的節點劃分

以節點1 反應釜加料和磺化反應工段為例，分析如下：

通過對反應釜加料和磺化反應工段HAZOP分析(如圖1所示)，以“磺化反應釜R1301A硫酸流量(過多)”這一偏離的部分劇情分析為例，闡述HAZOP分析過程，分析結果如表3所示。根據事件發生的可能性等級和后果等級，分析得到事故裸風險在風險矩陣圖里相應的風險等級為D6，對應風險指數值37，風險等級為重大風險(紅色)，不可接受。采取表3已設計考慮的四項安全措施后，風險等級降為D3，風險指數為12，對應風險為一般風險(黃色)，為目前公司仍不可接受范圍內的風險。通過采取表3中兩項建議措施，剩余風險等級為C2，風險指數為3，對應風險為低風險(藍色)，該事故劇情剩余風險為本公司可以接受的風險。至此，節點1中針對“磺化反應釜R1301A硫酸流量(過多)”這一劇情可能產生原因“人員誤操作，導致硫酸向反應釜內加料過快”分析結束[4]。其余劇情分析類似。

圖1 反應釜加料和磺化反應流程圖(節點1)

2.3 關鍵風險點識別

此次HAZOP分析可以看出該磺化裝置是該化工企業中較大風險的裝置，這要求設計人員和現場生產操作及管理人員需注重偏離的發生，優化工藝設計，強調操作平穩，將事故劇情風險控制在可接受的低風險水平。

本次HAZOP工藝分析，識別出該磺化裝置關鍵危險點有6大類，在磺化裝置運行過程中尤其需要重點關注，主要為：

表3 HAZOP分析記錄(選取部分以節點1中流量過多劇情為例)

(1)反應原料加量過多，放熱過大，造成反應器超溫超壓，發生爆炸；

(2)濃硫酸計量罐加料過多，濃硫酸漫罐溢出，造成人員傷亡；

(3)濃硫酸加料過快，反應激烈，放熱劇烈，反應釜超溫超壓，發生爆炸；

(4)磺化反應控制失靈、附屬設備故障，造成反應釜超溫超壓，發生火災或爆炸；

(5)磺化反應釜漫罐，物料溢出，遇點火源發生火災或爆炸；(6)反應涉及物料的泄漏，遇火源發生火災或爆炸。

2.4 設計優化措施

針對識別出危險點，根據風險矩陣和可接受程度，對間二甲苯磺化工藝設計和生產操作共提出建議措施9條，分為1項設備(包括管線)相關的措施，6項高低報警及其聯鎖，2項操作規程相關的措施。

2.4.1 設備(包括管線)相關措施

在反應釜R1301A增設安全閥，并泄放至尾氣系統。

2.4.2 高低報警及其聯鎖

(1)反應釜R1301A設置液位檢測儀表，信號遠傳至DCS,設置液位高報警，液位高高聯鎖切斷二甲苯進料；

(2)反應釜R1301A的硫酸進料管線設置調節閥，用于控制硫酸滴加速度，并遠傳至DCS，與反應釜溫度聯鎖，反應釜內溫度高時切斷硫酸進料；

(3)反應釜R1301A冷卻水設置流量調節閥，并與反應釜內溫度設置聯鎖，用于控制反應釜內反應溫度；

(4)反應釜R1301A的冷卻水流量設置流量計，遠傳至DCS,并設置流量低報警；

(5)反應釜R1301A攪拌器電機電流遠傳至DCS, 并設置電流異常報警；

(6)反應釜R1301A設置液位檢測儀表，信號遠傳至DCS,設置液位高報警，液位高高聯鎖切斷甲醇進料。

2.4.3 操作規程相關的措施

建議制定嚴格的操作規程，加料時雙人操作，現場人員與DCS操作人員確認。

進行檢修和搶修作業時，嚴格遵守作業規范。

2.5 分析總結

本次HAZOP分析將間二甲苯磺化工藝流程劃分了2個節點，分別為反應釜加料和磺化反應階段、降溫攪拌階段，共分析偏離48個，分析劇情111條，識別出磺化裝置可能發生的低風險62條，占劇情總數55.9%；一般風險27條，占劇情總數24.3%；較大風險17條，占劇情總數15.3%；重大風險5條，占劇情總數4.5%。識別出的關鍵風險點6大類，對應提出工藝優化措施7條，操作規程控制措施2條。

本次HAZOP分析組將建議措施向公司提交報告申請，經公司各專業審核，全部得到批準實施，最終將建議措施落實到工藝設計中，進一步優化完善了間二甲苯磺化生產裝置技術水平，為項目安穩長滿優生產奠定基礎。

3 結語

化工裝置在設計階段引入HAZOP分析，從系統安全的角度對磺化裝置工藝系統的危險與可操作性問題進行了歸納與梳理，識別出了裝置在工藝方面的潛在風險，有利于將設計缺陷問題及時暴露、及時解決，提升了裝置的本質安全水平[5]，避免了在運行中暴露問題導致無法及時整改、帶病運行等安全生產風險發生，值得危化行業大力推廣應用。