基于Aspen和HAZOP的萃取精餾定量風險分析*

劉國生，劉香芝，岳興起，張倩雯，姜廣增，黃邦達

(山東石油化工學院，山東 東營 257061)

近年來隨著國家陸續(xù)出臺了系列文件，危險與可操作性分析(hazard and operability Analysis,HAZOP)已廣泛用于探明生產(chǎn)裝置和工藝過程中的危險及其原因，但傳統(tǒng)的HAZOP分析是一種定性分析，高度依賴分析者的經(jīng)驗，對操作參數(shù)偏離產(chǎn)生的后果往往只能臆測產(chǎn)生的后果，不能有效回答偏差偏離程度后果量化的問題和偏差的臨界范圍值[1]。HAZOP分析的定量化研究，目前還處于起步階段，提出的定量化分析方法有與LOPA[2]、貝葉斯網(wǎng)絡[3]、及數(shù)學模型[4]相結(jié)合。近年來有學者提出將過程模擬與HAZOP分析相結(jié)合，如石艷娟[5]將HYSYS與HAZOP相結(jié)合，對汽提塔抽提工藝重要偏差進行模擬，給出了定量化的后果；陳海嶺[6]利用Aspen Plus靈敏度分析功能模擬硝基苯生產(chǎn)硝化工段過程參數(shù)對目標參數(shù)的影響；于靚[7]基于化工流程動態(tài)模擬分析了精餾塔釜和冷凝器失效兩種場景下工藝參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。上述研究為提高HAZOP分析準確性提供了新思路，取得了一定成效。

筆者在傳統(tǒng)HAZOP風險分析的基礎上，提出結(jié)合Aspen Plus靈敏度分析模塊對篩分出的重要偏差進行模擬分析。以某企業(yè)乙酸乙酯-異丙醇-水精餾過程中的萃取精餾塔為研究對象，分析在生產(chǎn)過程中受到干擾，操作參數(shù)發(fā)生偏離的情況下，導致事故后果的程度，以期分析結(jié)果用于指導關(guān)鍵參數(shù)報警值的設定，提高過程安全。分析結(jié)果表明，該方法是一種操作性強且潛力巨大的風險分析方法，能夠提高HAZOP分析的準確性與實用性。

1 過程模擬的HAZOP的偏差量化分析

基于Aspen Plus靈敏度分析的精餾塔HAZOP分析流程如下：

(1)傳統(tǒng)HAZOP分析：對分析對象進行傳統(tǒng)HAZOP分析，篩分出高風險偏差；

(2)建立工藝過程模型：根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，在Aspen Plus里輸入物性方法，組分信息、流股信息、模塊參數(shù)等，建立正常條件下模型；

(3)偏差量化分析：運用靈敏度模塊模擬不同程度的偏差對萃取精餾工藝參數(shù)的影響，得到安全操作閾值。

(4)優(yōu)化HAZOP分析報告：根據(jù)模擬結(jié)果，對傳統(tǒng)分析報告進行定量化完善。

Aspen Plus-HAZOP風險分析流程如圖1所示。

圖1 Aspen Plus-HAZOP風險分析流程圖

2 實例分析

2.1 工藝流程簡介和模型的建立

某制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含乙酸乙酯和異丙醇的廢水，為降低生產(chǎn)成本，同時為了保護環(huán)境，回收該廢水中的乙酸乙酯和異丙醇，要求回收的異丙醇濃度、乙酸乙酯濃度均≥99wt%。該工段中有機廢水經(jīng)過T1塔熱濃縮脫除絕大部分的水后進入T2萃取精餾塔，萃取劑丙二醇從T2塔上部引入，經(jīng)過萃取精餾輕組分乙酸乙酯從T2塔頂采出，異丙醇、萃取劑、水則從T2塔底采出。在異丙醇從萃取精餾塔T3塔頂采出，萃取劑與少量的水從T3塔底采出后進入萃取劑回收塔T4進行分離，在萃取劑回收塔塔底得到萃取劑1,2-丙二醇，萃取劑純度符合循環(huán)要求。

在利用Aspen Plus建立萃取精餾塔嚴格數(shù)學模型時，物性方法選擇NRTL，由于乙酸乙酯-異丙醇二元體系的相平衡具有一定的非理想型，所以利用Strogly nonideal liquid來改善塔的收斂。建立的工藝流程模型如圖2所示。

圖2 工藝流程模型

選取T2萃取精餾塔為研究對象，其操作參數(shù)見表1。

表1 T2精餾塔操作參數(shù)

2.2 萃取精餾工段HAZOP場景篩選

超溫、超壓、產(chǎn)品純度達不到要求是萃取精餾塔的典型事故，將萃取精餾工段的萃取劑進料管線、原料進料管線和精餾塔作為分析節(jié)點，根據(jù)人的經(jīng)驗進行HAZOP分析討論時，認為造成上述三個危害事件的偏差有萃取劑進料量、原料進料量、進料溫度和回流比的波動。基于此，結(jié)合Aspen Plus軟件的靈敏度分析模塊，選擇了下四種場景進行靈敏度模擬分析見表2。

表2 靈敏度分析場景

2.3 定量化分析過程

圖3 T2塔再沸器熱負荷隨萃取劑、進料量、進料溫度、回流量波動

利用Aspen Plus靈敏度模塊，模擬萃取劑進料流量、原料進料流量、進料溫度、回流量波動圍繞設定值-40%～40%，設置步長10%，在模擬過程中保持其他參數(shù)不變，進行單一參數(shù)變化，觀察再沸器、冷凝器熱負荷和乙酸乙酯純度的波動情況，模擬結(jié)果見圖3～圖5。圖3、圖4中的重合點為精餾塔再沸器和冷凝器熱負荷的設計值，圖中橫線表示兩設備的安全閾值線，根據(jù)經(jīng)驗,安全閾值取兩設備功率的120%，即再沸器熱負荷的安全操作范圍在0～943 kW，冷凝器熱負荷的安全操作范圍在-244～0 kW。圖5中的重合點是操作參數(shù)為設計值時乙酸乙酯的純度，產(chǎn)品純度要求不低于99wt%。

圖4 T2塔冷凝器熱負荷隨萃取劑、進料量、進料溫度、回流量波動

圖5 T2塔乙酸乙酯回收率隨進料量、萃取劑、溫度、回流量波動

從圖3中可以明顯看出再沸器熱負荷隨幾個參數(shù)的波動近似呈線性變化，但各有不同：進料量、進料溫度的增加，再沸器熱負荷減小；回流量和萃取劑增加，熱負荷增加。但只有當萃取劑偏差超過22.35%，即萃取劑流量高于9788 kg/hr時，再沸器熱負荷才會超出安全閾值，其他參數(shù)引起的再沸器熱負荷變化均在安全范圍內(nèi)。若再沸器功率長時間超出安全閾值會導致精餾塔內(nèi)溫度、壓力升高，改變氣液相平衡，降低分離效率；若偏離程度持續(xù)增大，可能會損壞設備，造成物料外漏，稍有不慎易引發(fā)火災爆炸。雖然在設定值波動范圍內(nèi)，其他幾個參數(shù)的變化并未引起再沸器熱負荷超出安全閾值，但是進料量在減小40%時，已十分接近，要引起足夠重視。萃取劑流量增加會導致后續(xù)萃取劑回收的動力成本及能耗增加，經(jīng)濟效益下降。同時結(jié)合圖4、圖5我們發(fā)現(xiàn)，萃取劑流量增加，冷凝器熱負荷不變，當萃取劑進料流量小于6712 kg/h，產(chǎn)品純度小于99%，將會影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量。由此可見，萃取劑進料范圍應控制在6712～9788 kg/h，可以通過設置萃取劑高低流量報警器來監(jiān)控流量。

從圖4中我們可以看出，萃取劑量和進料溫度偏差對冷凝器熱負荷影響不大；隨著回流量的增加，冷凝器的熱負荷不斷上升，當回流量達到偏差超過24.9%，即當回流量超過22.72 kmol/hr時，冷凝器熱負荷超過安全閾值；隨著進料量增加，冷凝器熱負荷先呈線性減小后基本維持在設計值，當進料量偏差超過-31.1%時，即進料量低于1575.4 kg/hr時，冷凝器熱負荷將超過安全閾值。結(jié)合圖5，隨著進料流量的增加，塔頂產(chǎn)品乙酸乙酯純度也隨之升高，之后又基本不變。當進料流量在(偏差-40%)1372.8 kg/h時，乙酸乙酯的純度非常低(不到0.6)，然而隨著進料流量的增加，乙酸乙酯的純度變化的非常明顯，直到增加到2024 kg/h乙酸乙酯的純度才達到要求。但是，在當進料流量大于2754 kg/h時，乙酸乙酯的純度有微小的下降趨勢。若流量過大則會導致精餾塔出現(xiàn)霧沫夾帶現(xiàn)象，破壞塔的正常操作，甚至還會降低塔釜的溫度，影響產(chǎn)品組成。由此可見，進料量波動范圍應該在2024～2754 kg/h，回流量應小于22.72 kmol/hr，可以通過設置流量監(jiān)控和報警裝置來提高安全性。

3 結(jié) 論

本文以乙酸乙酯-異丙醇-水萃取精餾工藝工藝為背景，建立了Aspen Plus模擬與HAZOP分析相結(jié)合定量化工藝偏差模擬新方法，有效解決了HAZOP分析過程中后果定量化的問題，為生產(chǎn)操作提供可靠的安全操作閾值，建議措施更加有針對性和準確度，對工廠的實際生產(chǎn)更具有指導意義。

提出的Aspen Plus-HAZOP風險分析方法可以推廣到反應器、熱交換器等其他化工反應裝置。在化工工藝實際生產(chǎn)過程中一個設備的損壞，往往會導致多參數(shù)同時發(fā)生偏離，因此，有待于對多偏差同時偏離的情形做進一步的分析研究。