HAZOP在間二甲苯磺化裝置基礎(chǔ)設(shè)計中的應(yīng)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(yīng)?；腔^程中磺酸基取代碳原子上的氫稱為直接磺化，大多數(shù)芳香族化合物的磺化采用此法。反應(yīng)生成的水使硫酸濃度下降、反應(yīng)速率減慢，因此要用多量的磺化劑[1]。

磺化反應(yīng)方程式為：

磺化反應(yīng)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(chǎn)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(yīng)溫度異常升高，使磺化反應(yīng)變?yōu)槿紵磻?yīng)，引起火災(zāi)或爆炸事故[2]?；腔に噷賴沂着攸c監(jiān)管的危險化工工藝，結(jié)合國家安監(jiān)總局明確在涉及危險化工工藝裝置的設(shè)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(chǔ)設(shè)計階段組織相關(guān)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(shè)計意圖而出現(xiàn)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(tǒng)的危險和設(shè)計缺陷，以及現(xiàn)有安全措施，特別是高風(fēng)險、多原因和多后果的復(fù)雜劇情。充分判斷系統(tǒng)風(fēng)險與安全措施，如果風(fēng)險不可接受，提出消除或降低風(fēng)險的建議措施[3]。

1.1 確定HAZOP分析步驟

根據(jù)間二甲苯磺化工藝特點及工藝基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用導(dǎo)則》要求的分析程序，首先根據(jù)管道及儀表流程圖(P&ID)或操作規(guī)程劃分為分析節(jié)點，組建包括技術(shù)、設(shè)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(shù)、設(shè)備參數(shù)、物料參數(shù)、行業(yè)風(fēng)險發(fā)生事例等技術(shù)資料；接著用引導(dǎo)詞找出結(jié)果偏離的原因、后果、現(xiàn)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(fēng)險矩陣

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

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

2 應(yīng)用實例

2.1 工藝流程

將定量的二甲 苯、濃硫酸加入反應(yīng)釜，其中二甲苯利用固定泵加料。向反應(yīng)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(yīng)生成二甲苯磺酸?；腔ば蚣s3h。反應(yīng)釜呼吸口設(shè)有二級冷凝裝置，揮發(fā)性物料大部分冷凝回流到反應(yīng)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(yīng)釜夾套內(nèi)通冷卻水，使得釜溫降到50℃。然后向反應(yīng)釜內(nèi)通入甲醇、雙氧水和水并保溫，經(jīng)攪拌均勻后即為成品。攪拌工序持續(xù)3h。

表1 風(fēng)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(jié)點，如表2所示。

表2 HAZOP分析的節(jié)點劃分

以節(jié)點1 反應(yīng)釜加料和磺化反應(yīng)工段為例，分析如下：

通過對反應(yīng)釜加料和磺化反應(yīng)工段HAZOP分析(如圖1所示)，以“磺化反應(yīng)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(jié)果如表3所示。根據(jù)事件發(fā)生的可能性等級和后果等級，分析得到事故裸風(fēng)險在風(fēng)險矩陣圖里相應(yīng)的風(fēng)險等級為D6，對應(yīng)風(fēng)險指數(shù)值37，風(fēng)險等級為重大風(fēng)險(紅色)，不可接受。采取表3已設(shè)計考慮的四項安全措施后，風(fēng)險等級降為D3，風(fēng)險指數(shù)為12，對應(yīng)風(fēng)險為一般風(fēng)險(黃色)，為目前公司仍不可接受范圍內(nèi)的風(fēng)險。通過采取表3中兩項建議措施，剩余風(fēng)險等級為C2，風(fēng)險指數(shù)為3，對應(yīng)風(fēng)險為低風(fēng)險(藍色)，該事故劇情剩余風(fēng)險為本公司可以接受的風(fēng)險。至此，節(jié)點1中針對“磺化反應(yīng)釜R1301A硫酸流量(過多)”這一劇情可能產(chǎn)生原因“人員誤操作，導(dǎo)致硫酸向反應(yīng)釜內(nèi)加料過快”分析結(jié)束[4]。其余劇情分析類似。

圖1 反應(yīng)釜加料和磺化反應(yīng)流程圖(節(jié)點1)

2.3 關(guān)鍵風(fēng)險點識別

此次HAZOP分析可以看出該磺化裝置是該化工企業(yè)中較大風(fēng)險的裝置，這要求設(shè)計人員和現(xiàn)場生產(chǎn)操作及管理人員需注重偏離的發(fā)生，優(yōu)化工藝設(shè)計，強調(diào)操作平穩(wěn)，將事故劇情風(fēng)險控制在可接受的低風(fēng)險水平。

本次HAZOP工藝分析，識別出該磺化裝置關(guān)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(guān)注，主要為：

表3 HAZOP分析記錄(選取部分以節(jié)點1中流量過多劇情為例)

(1)反應(yīng)原料加量過多，放熱過大，造成反應(yīng)器超溫超壓，發(fā)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(yīng)激烈，放熱劇烈，反應(yīng)釜超溫超壓，發(fā)生爆炸；

(4)磺化反應(yīng)控制失靈、附屬設(shè)備故障，造成反應(yīng)釜超溫超壓，發(fā)生火災(zāi)或爆炸；

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

2.4 設(shè)計優(yōu)化措施

針對識別出危險點，根據(jù)風(fēng)險矩陣和可接受程度，對間二甲苯磺化工藝設(shè)計和生產(chǎn)操作共提出建議措施9條，分為1項設(shè)備(包括管線)相關(guān)的措施，6項高低報警及其聯(lián)鎖，2項操作規(guī)程相關(guān)的措施。

2.4.1 設(shè)備(包括管線)相關(guān)措施

在反應(yīng)釜R1301A增設(shè)安全閥，并泄放至尾氣系統(tǒng)。

2.4.2 高低報警及其聯(lián)鎖

(1)反應(yīng)釜R1301A設(shè)置液位檢測儀表，信號遠傳至DCS,設(shè)置液位高報警，液位高高聯(lián)鎖切斷二甲苯進料；

(2)反應(yīng)釜R1301A的硫酸進料管線設(shè)置調(diào)節(jié)閥，用于控制硫酸滴加速度，并遠傳至DCS，與反應(yīng)釜溫度聯(lián)鎖，反應(yīng)釜內(nèi)溫度高時切斷硫酸進料；

(3)反應(yīng)釜R1301A冷卻水設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，并與反應(yīng)釜內(nèi)溫度設(shè)置聯(lián)鎖，用于控制反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)溫度；

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

(5)反應(yīng)釜R1301A攪拌器電機電流遠傳至DCS, 并設(shè)置電流異常報警；

(6)反應(yīng)釜R1301A設(shè)置液位檢測儀表，信號遠傳至DCS,設(shè)置液位高報警，液位高高聯(lián)鎖切斷甲醇進料。

2.4.3 操作規(guī)程相關(guān)的措施

建議制定嚴格的操作規(guī)程，加料時雙人操作，現(xiàn)場人員與DCS操作人員確認。

進行檢修和搶修作業(yè)時，嚴格遵守作業(yè)規(guī)范。

2.5 分析總結(jié)

本次HAZOP分析將間二甲苯磺化工藝流程劃分了2個節(jié)點，分別為反應(yīng)釜加料和磺化反應(yīng)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(fā)生的低風(fēng)險62條，占劇情總數(shù)55.9%；一般風(fēng)險27條，占劇情總數(shù)24.3%；較大風(fēng)險17條，占劇情總數(shù)15.3%；重大風(fēng)險5條，占劇情總數(shù)4.5%。識別出的關(guān)鍵風(fēng)險點6大類，對應(yīng)提出工藝優(yōu)化措施7條，操作規(guī)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(jīng)公司各專業(yè)審核，全部得到批準實施，最終將建議措施落實到工藝設(shè)計中，進一步優(yōu)化完善了間二甲苯磺化生產(chǎn)裝置技術(shù)水平，為項目安穩(wěn)長滿優(yōu)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

化工裝置在設(shè)計階段引入HAZOP分析，從系統(tǒng)安全的角度對磺化裝置工藝系統(tǒng)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(fēng)險，有利于將設(shè)計缺陷問題及時暴露、及時解決，提升了裝置的本質(zhì)安全水平[5]，避免了在運行中暴露問題導(dǎo)致無法及時整改、帶病運行等安全生產(chǎn)風(fēng)險發(fā)生，值得?；袠I(yè)大力推廣應(yīng)用。