基于E T A的四溴雙酚A合成生產工藝安全分析

劉思洋

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163457）

0 引言

隨著我國社會經濟的持續(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，它既可以作為反應型阻燃劑也可以作為添加劑型阻燃劑，被廣泛應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生產過程中，其產出物的品質及生產過程的安全問題會受到多方面因素的綜合影響，其中生產工藝各環(huán)節(jié)的可靠性直接影響著生產過程的安全性。近年來，國內外已發(fā)生多起因物料反應過程的不合理而造成的安全生產事故，例如2016年山東濰坊壽光海圣化學有限公司在生產車間進行設備安裝時，因違章動火引發(fā)正在生產中的1#和3#四溴雙酚A低溫反應釜內可燃氣體發(fā)生爆炸，事故造成8人死亡、5人受傷。四溴雙酚A制備是一個復雜的系統(tǒng)工程，主要包括氯化雙酚A配料預處理系統(tǒng)、調壓計量系統(tǒng)、溫度調節(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。這些研究一定程度上促進了四溴雙酚A安全高效的生產，但現(xiàn)有研究大多是通過改善生產工藝條件來提高生產安全，對生產工藝的可靠性缺乏定量研究。

目前針對生產工藝可靠性的研究方法較多，但由于缺乏必要的研究數據，多數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籌學基礎上，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生產工藝的可靠性進行定性和定量研究。

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，預測各種可能結果的歸納分析方法[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，并能根據起始事件及各環(huán)節(jié)事件的概率計算各種結果的概率。

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

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生產工藝流程分析

2.1 主要原料分析

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

表1 四溴雙酚A主要原材料理化性質表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 生產工藝過程

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

圖3 四溴雙酚A生產工藝過程示意圖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建

本文根據四溴雙酚A生產工藝過程及化工行業(yè)對安全生產管理的相關要求，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，并進行定量分析。最后將計算結果與給定的判定值進行比較，當事故隱患概率大于判定值，則認為該生產工藝存在危險，應采取相應的防范措施；當事件樹事故隱患概率小于判定值，則判斷生產工藝暫不存在較大危險性。此處，事故隱患評判標準值的選定采用大量數據統(tǒng)計分析顯著性檢驗P值及化工安全生產管理經驗雙向評判[8]，并將P＞0.05作為判定生產系統(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，并對影響值進行標準化處理，將各環(huán)節(jié)影響值通過min-max標準化映射到[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

根據企業(yè)生產設備檢修記錄數據，為四溴雙酚A生產工藝各環(huán)節(jié)進行權數選擇，將生產環(huán)節(jié)設備故障頻次進行了分類，共計5個等級，各等級權重，見表3。

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

表3 四溴雙酚A生產工藝各環(huán)節(jié)頻次及權數統(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)事件權數值。

表4 四溴雙酚A生產工藝各環(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。根據布爾代數運算法則，各環(huán)節(jié)事件的失效與否是獨立事件，且當任一環(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

根據統(tǒng)計學相關理論，取數據檢驗水平α=0.05，當數據P值大于α值時，認為數據與I類錯誤間無差異。在事故統(tǒng)計中，當事故發(fā)生概率大于0.05時，即認為事故發(fā)生概率過高，應加強對生產工藝的安全隱患排查，企業(yè)應當啟動應急預案，按照程序開展相應的安全檢查和設備維護保養(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 結論

計算結果表明采用ETA進行四溴雙酚A合成生產工藝分析效果良好，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，因此在分析時應保證專家的評議是獨立的。文章主要結論有：

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

（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標準化數據處理方法確定了生產工藝各環(huán)節(jié)事件的影響度，同時采用HEART方法對工藝環(huán)節(jié)事件的失效概率進行了計算。

（3）最后用布爾代數運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，應加強對生產工藝的安全隱患排查。