HAZOP分析在RDX硝化反應(yīng)的應(yīng)用與研究*

陳明磊 尚鳳琴 秦亮 胡顯娣 楊卓凡 方濤

(甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司 甘肅白銀 730900)

0 引言

RDX作為一種典型高能炸藥應(yīng)用十分廣泛，其產(chǎn)品在軍品行業(yè)內(nèi)可用于我國各類武器系統(tǒng)，民品行業(yè)可用于雷管、導(dǎo)爆管等工程爆破設(shè)備中[1-2]。但由于其具有易燃易爆的特性，生產(chǎn)設(shè)備管線復(fù)雜、生產(chǎn)流程不連續(xù)、自動化和信息化程度較低、工房作業(yè)場所的安全隱患較多等各類因素，在生產(chǎn)過程中易發(fā)生燃爆事故，從而造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[3]。

隨著我國火炸藥生產(chǎn)行業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)裝置大型化、過程連續(xù)化、控制自動化，工藝過程的危險性也隨之增大。為了保證安全生產(chǎn)，同時滿足國家對火炸藥行業(yè)的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸及使用的安全要求，風(fēng)險評估的全面性和準(zhǔn)確性尤為重要。但是目前對火炸藥行業(yè)的安全評估的方法手段較為單一，以RDX為例，其生產(chǎn)缺少相關(guān)的安全評價方法，尤其欠缺RDX生產(chǎn)工序的整體安全性分析與評價，對系統(tǒng)安全性分析普遍存在著較多的經(jīng)驗成分和信息化程度不高等缺點(diǎn)[4-6]。

本研究采用在石化行業(yè)廣泛使用的HAZOP法對RDX硝化工序進(jìn)行危險有害因素辨識，查找RDX硝化工序存在的工藝安全問題，系統(tǒng)地檢查工藝過程以找出對原設(shè)計條件可能發(fā)生的偏差，確定哪些偏差可能導(dǎo)致危害或引起操作問題，為RDX的工業(yè)化安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 HAZOP分析技術(shù)

1.1 概述

HAZOP即危險與可操作性研究分析方法，最早由英國化學(xué)工程師T.克萊茲在1963年發(fā)明，從提出到摸索再到推廣至歐美等國歷經(jīng)數(shù)十年之久。此分析方法主要采取引導(dǎo)詞方式、經(jīng)驗式和檢查式等3種形式，其中傳統(tǒng)HAZOP分析采用引導(dǎo)詞為主體，可以全面、系統(tǒng)地識別化工裝置的工藝流程中的危險點(diǎn)，突出管理的重點(diǎn)，系統(tǒng)地排查生產(chǎn)線的隱患，進(jìn)而有效提升工作流程的效率[7-8]。

目前HAZOP分析在歐美等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為成熟，研究方法及流程也得到較大的改進(jìn)。相比較而言，我國石化行業(yè)內(nèi)對HAZOP分析的應(yīng)用較晚，但國內(nèi)眾多石化公司建設(shè)項目的安全管理中HAZOP分析已成為必不可少的環(huán)節(jié)，如近些年中石油要求所有新建大型項目必須進(jìn)行HAZOP分析[9-11]。可見，隨著國家對化工生產(chǎn)行業(yè)的安全越來越重視，后續(xù)也必將出臺更多的針對于?；飞a(chǎn)的安全保障措施。

1.2 研究方法及流程

HAZOP分析方法是由工藝、設(shè)備、自控、現(xiàn)場操作等具有不同知識背景的人員所組成的有經(jīng)驗的評價小組，充分利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝圖紙、物料清單、事故統(tǒng)計等資料進(jìn)行詳細(xì)的審查。評價小組通過會議討論等形式將連續(xù)的工藝流程劃分為若干個單元，再識別可能會出現(xiàn)的事故(如人員傷害及傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染等)及可能會出現(xiàn)的各種安全問題。最終給出該分解單元中可能存在的潛在危險源，并對該危險源作出簡單的描述，設(shè)計或推薦更為有效的安全保障措施等解決方案[12]。

HAZOP分析的主要流程圖如圖1所示。

圖1 HAZOP分析的基本步驟

2 RDX硝化反應(yīng)的HAZOP分析

2.1 工藝原理與流程

硝化工序是指將烏洛托品在硝酸中硝解的過程，該工序是RDX制備的核心工序，直接影響到RDX產(chǎn)品的質(zhì)量和得率。直接硝解法，即被西方國家稱為的赫爾氏法(Hale Process)[4]，該生產(chǎn)工藝自20世紀(jì)30年代以后雖有所改進(jìn)，但是本質(zhì)基本未變，反應(yīng)式如下：

(CH2)6N4+4HNO3→(CH2NNO2)3+NH4NO3+3CH2O

直接硝解法的硝化工序采用釜式連續(xù)反應(yīng)器，即硝化機(jī)和成熟機(jī)連接而成。首先烏洛托品和硝酸加入硝化機(jī)內(nèi)，其中硝酸與烏洛托品的質(zhì)量比一般控制(10.5～12)∶ 1，全程控制反應(yīng)溫度為10～20 ℃，硝化機(jī)內(nèi)平均停留20～40 min后反應(yīng)液流入成熟機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充反應(yīng)。反應(yīng)液平均停留15～30 min，保證反應(yīng)完全后再流入結(jié)晶機(jī)進(jìn)行氧化結(jié)晶反應(yīng)。全過程需時刻注意反應(yīng)溫度，并嚴(yán)格控制連續(xù)加料速率和硝化液中硝酸的含量等參數(shù)。

此工序中烏洛托品與濃硝酸反應(yīng)劇烈，如1 kg烏洛托品放熱約為2 300 kJ，很容易產(chǎn)生局部過熱甚至失火和爆炸的情況，因此反應(yīng)時必須一直保持強(qiáng)烈的攪拌，并將烏洛托品均勻加入到反應(yīng)液中，勿使烏洛托品與濃硝酸在硝化液外接觸。

2.2 確定風(fēng)險矩陣

此次HAZOP分析的范圍是RDX生產(chǎn)線中的硝化工序，涉及此工序中的硝化機(jī)、成熟機(jī)和硝化系統(tǒng)的所有的泵、管線、控制回路及閥門等。所用到的資料包括工藝操作手冊、管道和儀表流程圖、工藝流程圖、設(shè)計數(shù)據(jù)、聯(lián)鎖邏輯、報警參數(shù)以及儀表數(shù)據(jù)等。另外，分析小組在分析前需合理假設(shè)，防止出現(xiàn)分析過度或分析結(jié)果過于復(fù)雜的情況[13-14]。

應(yīng)用HAZOP分析對RDX硝化過程進(jìn)行分析，找出可能存在的危險及事故點(diǎn)，提出有效措施為RDX的安全生產(chǎn)做出保障。確定工藝參數(shù)偏差見表1。

表1 HAZOP分析偏差矩陣

2.3 HAZOP分析結(jié)果

HAZOP 評價小組將RDX硝化過程的操作步驟劃分節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行逐一分析，對此工序中可能出現(xiàn)偏差的風(fēng)險程度、產(chǎn)生原因、發(fā)生后果及現(xiàn)有安全保障措施進(jìn)行討論和總結(jié)，并提出相應(yīng)的對策措施，編制HAZOP分析結(jié)果，部分主要內(nèi)容見表2。

表2 部分HAZOP分析結(jié)果

從上述HAZOP分析的結(jié)果來看，RDX硝化工序主要存在流量、壓力、溫度、雜質(zhì)和公用工程等主要偏差。大部分偏差雖然有相應(yīng)的保護(hù)措施和應(yīng)急策略，但不能從根本上消除偏差的影響。但需要注意的是，在發(fā)生可能性較大的偏差中還存在物料意外混合的情況。作為采用硝酸硝化的工藝，蛇管和反應(yīng)釜壁也可能會存在被腐蝕的風(fēng)險，因此在安全放大和熱失控評估的時候需要考慮這部分問題，為此需要識別出此類風(fēng)險后模擬該失控情形進(jìn)行物料或反應(yīng)的評估。

該工序是RDX制備工序的核心工序，直接影響到RDX產(chǎn)品的得率和質(zhì)量，故針對該工序的所有發(fā)生頻率較高、危險系數(shù)較大和較難控制的偏差，還需指定更加針對性的解決措施或預(yù)防手段。

3 建議措施

RDX的硝化工序為強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，烏洛托品與濃硝酸反應(yīng)十分劇烈，且此硝解反應(yīng)始終伴隨著分解反應(yīng)，并放出大量的氧化氮等毒性較大的氣體，有較大的安全隱患，需要對此工藝過程進(jìn)行安全控制，確保RDX硝化工序的安全。針對上述RDX硝化工序的HAZOP分析，提出如下建議措施：

(1)嚴(yán)格保證RDX硝化工序原材料如濃硝酸和烏洛托品的質(zhì)量，杜絕因產(chǎn)品質(zhì)量而影響工序的安全。

(2)硝化過程中嚴(yán)格控制加料比、加料速率、反應(yīng)溫度和排煙負(fù)壓等關(guān)鍵控制點(diǎn)，并保持硝化機(jī)和成熟機(jī)內(nèi)正常的攪拌速率。

(3)對硝化機(jī)和成熟機(jī)下分別設(shè)置安全水槽，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度超過規(guī)定值時緊急放料到安全水槽進(jìn)行稀釋，停止反應(yīng)。

(4)保證生產(chǎn)車間內(nèi)定員定量，并加強(qiáng)現(xiàn)場巡檢，對可能出現(xiàn)的危險情況制定應(yīng)急處置預(yù)案。

4 結(jié)語

此次HAZOP分析方法客觀、詳細(xì)地分析了RDX硝化工序可能出現(xiàn)的偏差和危險情況，所提出的問題、改進(jìn)建議或措施均考慮到實(shí)際情況的可執(zhí)行性和可實(shí)施性，有助于提高RDX硝化工序的安全水平。工廠可根據(jù)RDX硝化工序的實(shí)際生產(chǎn)情況，對此次分析提出問題的風(fēng)險大小分別予以實(shí)施，確保RDX硝化工序中的安全風(fēng)險得到有效控制。

HAZOP分析作為科學(xué)、全面的安全分析評價方法，以其獨(dú)特的優(yōu)勢為石化行業(yè)提供技術(shù)支撐，并不斷地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。在保障化工生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行方面起到了重要作用。雖然HAZOP分析在國內(nèi)火工品等危險品的生產(chǎn)還處于完善階段，需進(jìn)行深入研究。但隨著我國對危化品安全生產(chǎn)的重視程度的不斷提高，HAZOP分析必將得到廣泛的推廣和應(yīng)用。