基于甲醇精餾過程模擬優化的危險性與可操作性分析

劉沙沙，畢 穎

(沈陽化工大學 環境與安全工程學院，遼寧 沈陽 1110142)

甲醇,作為一種重要的化工原料，被廣泛地應用于化工領域。由于甲醇化學性質不穩定，加上工業生產中工藝流程復雜，工作條件特殊，產品危險性大，容易造成中毒、火災、爆炸等重大工業事故，輕者造成財產損失，嚴重時危及人類的生命。因此，為降低或避免事故的發生，開展系統的危險源辯識，并對重大危險因素進行模擬有重大的理論價值與現實意義。

開展化工行業工藝操作及工藝流程的危險源辨識，國內外研究者提出了多種安全評價分析方法。例如，故障類型和影響分析、預先危害分析、火災爆炸指數法、模糊數學、危險性與可操作性(HAZOP)研究等。其中，HAZOP是通過應用引導詞來識別出生產系統中每個工藝參數可能出現的偏差，并對不同偏差所導致的風險及危險源進行分析。該方法受到了化工行業人員的歡迎和認可。傳統的HAZOP分析只能對系統的偏差進行定性描述，由于缺乏定量的評價數據，分析偏差具有主觀性。國內外學者將HAZOP與過程模擬軟件(Aspen Plus)相結合進行研究，已取得了較大的進展。例如，陳海嶺等提出了HAZOP與Aspen Plus相結合的分析方法，首先對合成工段進行HAZOP分析，結合Aspen plus對其工藝流程進行模擬，并以苯硝化過程為例進行定量風險分析[1]；廖思超等基于氯乙烯合成過程為基礎，運用傳統的HAZOP分析確定偏差，利用 Aspen Plus 過程模擬與Excel軟件相結合的HAZOP 對偏差進行量化[2]；Jano?ovsk等通過氨合成反應器事故進行分析，提出了HAZOP分析與仿真環境相結合的方法，對偏差進行模擬后，應用HAZOP方法對仿真數據進行采集和處理[3-4]；陳鑫等基于HAZOP和aspen-plus模擬計算對氯乙烯精餾過程進行定量風險分析[5]；等等。

1 HAZOP -Aspen plus風險分析

本文以年產20萬噸的甲醇精餾系統為研究對象開展危險性與可操作性研究，利用HAZOP對系統中存在的危險源進行辨識，找出影響系統安全的重要工藝參數[6]。運用Aspen Plus過程模擬軟件模擬甲醇精餾過程關鍵工藝參數的分布情況，找出關鍵工藝參數對系統的影響，從而使HAZOP分析量化。

甲醇精餾系統依據生產工藝過程，劃分為3個節點。甲醇精餾系統節點劃分情況見表1，工藝流程圖見圖1。

圖1 過程流程圖

根據甲醇精餾系統的節點劃分情況，分別對各個節點進行HAZOP分析。通過分析系統中參數的變化情況以及可能出現的偏差，分析出可能出現偏差的原因，找出系統中存在的潛在危險，并提出有針對性的安全預防措施。該系統劃分3個節點，分析偏差56項，引起偏差的原因196項，后果嚴重性113項。考慮到篇幅問題，本文只針對重大潛在危險源進行HAZOP分析，以關鍵節點3為例，如表2所示。

對甲醇精餾系統進行HAZOP分析可知，在甲醇精餾過程中引起系統發生故障的是流量、液位、溫度等關鍵參數，如果這些參數發生偏差，可能導致火災、爆炸、中毒事故，危及人的生命健康和財產安全。

表2 甲醇精餾系統HAZOP分析

2 甲醇精餾過程中的模擬優化

Aspen plus中擁有大量的物性方法。由于粗甲醇中含有大量的甲醇和水，兩者之間有較強的作用力，因此物性方法選擇非隨機(局部)雙液體模型(NRTL)較為合適[7]。

2.1 工藝流程步驟

選取三塔精餾流程對工藝進行分析[8-9]：來自甲醇合成工段的粗甲醇(除甲醇外含有二甲醚、乙醇、丁醇等雜質)加熱后進入預精餾塔，低于甲醇沸點的餾分(如二甲醚等)從預精餾塔的塔頂逸出。比甲醇沸點高的組分和水，通過加壓塔和常壓塔進行分離。粗甲醇經過預熱后進入加壓塔，在塔頂采出精甲醇(不含雜質)。從加壓塔塔底出來的甲醇水溶液經過換熱后進入常壓塔的下部，塔頂餾出物在常壓塔冷凝器冷卻采出精甲醇，經精甲醇冷卻器冷卻后成為產品精甲醇。

在圖1中，YJL、JY、CY分別代表預精餾塔、加壓塔、常壓塔。FEED是粗甲醇，3、6是產出的精甲醇。由于預精餾塔只是為了去除輕組分，產不出精甲醇，而加壓塔和常壓塔能產出精甲醇，且工藝參數的變化對該塔的影響比較大，為此采用嚴格精餾模塊RADFRAC模擬塔內參數的變化情況，本文以常壓塔為例進行介紹。

2.2 常壓塔的模擬過程和結果

進料組成的物質的量分數為水29%，甲醇70%，丁醇1%，(為了便于處理結果，將粗甲醇中的雜醇以丁醇為代表)，進料溫度 60 ℃，物性方法選擇NRTL進行模擬，得到初始化模擬結果，如表3所示。

表3 初始化模擬結果

塔內需要的參數設置完成以后，運用aspen plus得到簡單的模擬結果，在簡單模擬結果的基礎之上，再進行嚴格的模擬計算。模擬結果顯示甲醇的質量分率為0.996，水的質量分率為0.004。可知精甲醇純度為0.996，該純度達到了國際AA級產品標準，符合甲醇精餾對純度的要求。

圖2是回流比隨理論參數變化的影響，根據經驗，合適的理論板數應該在該圖斜率絕對值較小的地方選擇。

在操作中，要想有合適的物料平衡，首先確保有穩定的熱量平衡和氣液平衡。見圖3和表4、表5。

為了更加直觀地了解塔內各工藝參數分布情況，分別繪制塔內溫度、壓力、氣相組成、液相組成、氣液流量等關鍵參數的分布情況，見圖4至圖8。

圖2 回流比隨理論板數變化 圖3 氣液平衡參數曲線

表4 冷凝器熱負荷

表5 再沸器熱負荷

圖4 塔內溫度分布曲線 圖5 塔內壓力分布曲線

圖8 塔內氣液流量分布 圖9 壓力隨物料溫度變化

采用靈敏度分析功能模擬關鍵參數(溫度)的變化對塔內其他參數(壓力)的影響情況，如圖9所示。由圖9可知，隨著溫度的升高，壓力也逐漸升高，從而導致塔破裂及火災、爆炸事故的發生。

因此，在精餾過程中，操作者應該隨時注意塔內溫度、壓力、流量的變化情況，如果出現差錯應及時調整，從而避免由于溫度、壓力、流量變化太大導致事故的發生。

3 結論

在傳統的危險性與可操作性的基礎上，利用化工流程模擬軟件對甲醇精餾過程中常壓塔進行了模擬分析與優化，通過對常壓塔內的參數，如溫度、壓力、氣相組成、液相組成、氣液流量等進行分析，了解這些參數對化工工藝安全的影響，使危險性與可操作性分析定量化，以指導化工工藝過程完成安全設計，嚴格控制工藝參數的變化情況在合理的變化范圍內，避免造成傷害，為以后的工藝生產提供依據。

1)在本次甲醇精餾過程常壓塔的安全模擬中，應控制反應溫度在45-95 ℃。當溫度超過精餾的最大反應溫度，容易造成精餾塔超溫超壓、降低甲醇收集質量和進料溫度升高，導致精餾塔出現安全事故。

2)在甲醇精餾過程中壓力基本維持在85-100 kPa。當精餾過程壓力過低，則會塔壓不穩，出現泛塔，影響分離效果；壓力過高，容易造成塔頂壓力超壓，穩定性降低，易出現爆裂事故。

3)在甲醇精餾過程中,回流比應在0.5-1.25之間，回流比越大，甲醇的質量就會越高，但是塔內循環量太大可能會破壞塔的正常工作，用電、用水情況也會增多，增大損耗。