基于事故樹安全分析的化工反應(yīng)罐結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究*

王小輝，游革新，郭璐璐

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院 環(huán)境科學(xué)系，廣東 佛山 528216；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中，反應(yīng)罐是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，通常是由罐體、罐蓋、進(jìn)料口、攪拌裝置、冷凝管、出料口、加熱層和回收罐等組成[1-2]。在化工生產(chǎn)中反應(yīng)罐的使用頻率極高，其內(nèi)部反應(yīng)條件大多為高溫、高壓，甚至超高壓，參與反應(yīng)的原料及催化劑多為易燃、易爆和不穩(wěn)定物質(zhì)。加熱層對化工罐體內(nèi)部的物料進(jìn)行加熱，不能夠準(zhǔn)確的控制罐體內(nèi)溫度恒定，溫度升高得不到及時(shí)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力過大，散熱不良或局部反應(yīng)過于劇烈都會發(fā)生危險(xiǎn)，致使事故發(fā)生率極高；另一方面，由于化工反應(yīng)罐內(nèi)部大罐口較小，殘留的雜質(zhì)在長時(shí)間使用的罐體內(nèi)壁上堆積，不能夠及時(shí)清理，也會影響化工反應(yīng)罐的正常使用。

化工反應(yīng)罐在工作過程中，稍有不慎就會引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故，安全形勢不容樂觀。目前，為了預(yù)防化工反應(yīng)罐安全事故的發(fā)生，研究主題和方向主要針對操作控制信息系統(tǒng)為主，在結(jié)構(gòu)上的改良優(yōu)化并不多見[3]。

本文針對夾套(帶攪拌)化工反應(yīng)罐的工作現(xiàn)場進(jìn)行研究，利用事故樹安全分析法，找出其反應(yīng)過程中壓力異常升高的影響因素，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度排序，基于事故樹安全分析結(jié)果，對化工反應(yīng)罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

1 化工反應(yīng)罐的事故樹安全分析

基于化工反應(yīng)罐的現(xiàn)場工作條件，針對壓力異常升高事故的原因和邏輯關(guān)系進(jìn)行研究，基于事故樹進(jìn)行安全分析[4-6]，事故樹如圖1所示，分析步驟如下：

圖1 化工反應(yīng)罐事故樹分析Fig.1 The failure tree analysis of the chemical reaction tank

1)構(gòu)建該事故樹對應(yīng)的成功樹，如圖2所示。

2)根據(jù)成功樹求出最小徑集的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

得到3個(gè)最小徑集，分別為：

P1={x1,x2},P2={x1,x3,x4,x5,x6,x7},P3={x8,x9,x10,x11,x6,x4}。

圖2 化工反應(yīng)罐事故樹的成功樹Fig.2 The success-tree of chemical reaction tank based on failure tree analysis

3)求結(jié)構(gòu)重要度。該故障樹結(jié)構(gòu)比較簡單，利用最小徑集判斷結(jié)構(gòu)重要度。

Iφ(x1)>Iφ(x4)=Iφ(x6)>Iφ(x2)>Iφ(x3)=

Iφ(x5)=Iφ(x7)=Iφ(x8)=Iφ(x9)=Iφ(x10)=Iφ(x11)，其中，Iφ(x)表示事件x的重要度。

4)事故樹安全分析結(jié)果

對化工反應(yīng)罐壓力異常升高事故的主要原因有攪拌效果差、溫度反饋不及時(shí)、反應(yīng)前未清理干凈罐體等，為了避免此類事故的發(fā)生，可從罐體結(jié)構(gòu)上做一些改進(jìn)優(yōu)化。

2 化工反應(yīng)罐的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

化工行業(yè)使用的傳統(tǒng)反應(yīng)罐[6-16]，大多數(shù)未配備清洗裝置，采用人工清洗為主；配備1個(gè)攪拌裝置，攪拌形式單一，常用的攪拌形式有旋槳式、渦輪式、槳式、框式、錨式、螺帶式、磁力等類型為主；在溫度監(jiān)控方面，雖然有不少關(guān)于溫度控制信息系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，但如何更準(zhǔn)確地接近反應(yīng)點(diǎn)、更直觀的讀取溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)用較少。本文擬通過提供1種便于調(diào)溫的自洗型化工高效攪拌反應(yīng)罐，以解決目前在化工反應(yīng)罐使用過程中出現(xiàn)的溫度難控制、難清洗等問題，減少反應(yīng)罐超壓爆炸、腐蝕等安全事故的發(fā)生，降低企業(yè)在人、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境等方面的損失。

針對攪拌效果不理想的問題，在反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置2個(gè)攪拌裝置，且每個(gè)攪拌軸上安裝減速器，攪拌軸底部固定有4層的攪拌片，層與層之間相互垂直，且每層設(shè)置2片，攪拌片設(shè)置適合液體流動的角度，且表面均布有若干導(dǎo)料孔，2個(gè)攪拌裝置的攪拌方向相反，改善攪拌裝置對罐體內(nèi)部物料的攪拌效果，便于物料的高效反應(yīng)[6]。

針對化工罐體內(nèi)部的物料加熱不能夠準(zhǔn)確的控制罐體內(nèi)溫度恒定的問題，通過把溫度計(jì)鑲嵌在罐體內(nèi)壁底部，通過導(dǎo)線與溫度顯示器連接，溫度顯示器固定在夾套側(cè)壁上，直觀方便的進(jìn)行溫度調(diào)控和監(jiān)控管理[6]。

針對清洗難的問題，將包括進(jìn)水管、噴淋盤和加壓泵的清洗裝置設(shè)在罐體上蓋，進(jìn)水管上設(shè)置加壓泵，噴淋盤側(cè)壁和底面均布若干噴嘴，利用加壓泵將進(jìn)水管引入的清水進(jìn)行加壓，從噴淋盤表面的噴嘴噴出，對使用后的罐體進(jìn)行沖洗，提高清洗效率[7-8]。

3 化工反應(yīng)罐的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)模型

改進(jìn)優(yōu)化后的化工反應(yīng)罐具體結(jié)構(gòu)見圖3-7，針對該反應(yīng)罐如何達(dá)到自洗、便于調(diào)溫及高效攪拌的效果，說明如下。

圖3 反應(yīng)罐的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural representation of the reaction tank

圖4 反應(yīng)罐中第一攪拌裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural representation of the first agitator in the reaction tank

圖3-7中具體結(jié)構(gòu)參數(shù)信息見表1。

便于調(diào)溫的自洗型化工高效攪拌反應(yīng)罐，包括罐體16和上蓋1；罐體16設(shè)置成空心圓柱體，底部設(shè)置成半球形，內(nèi)部設(shè)置為反應(yīng)腔14，頂部開口處設(shè)置有上蓋1；上蓋1通過螺栓5和螺母4的相互旋合與罐體16連接；上蓋1上設(shè)置有進(jìn)料管2和清洗裝置3；進(jìn)料管2設(shè)置在上蓋1左側(cè)，且進(jìn)料管延伸至罐底，并在進(jìn)液管的管壁上開有多個(gè)出料孔，每個(gè)出料孔與每層攪拌片的高度相對應(yīng)。

圖5 反應(yīng)罐中清洗裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structural representation of the cleaning device in the reaction tank

圖6 反應(yīng)罐中第二攪拌裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural representation of the second agitator in the reaction tank

圖7 反應(yīng)罐中進(jìn)料管結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural representation of feed pipe in the reaction tank

表1 反應(yīng)罐中各結(jié)構(gòu)參數(shù)具體信息Table 1 The basic information of structure parameters in reaction tank

清洗裝置3設(shè)置在上蓋右側(cè)，且清洗裝置3由進(jìn)水管27、噴淋盤25和加壓泵24組成；進(jìn)水管27與噴淋盤25連通，且進(jìn)水管27上設(shè)置有加壓泵24；噴淋盤25固定在上蓋1下表面，設(shè)置成圓盤形，側(cè)壁和底面上均布有若干噴嘴26；通過清洗裝置3的設(shè)置，利用加壓泵24將進(jìn)水管27引入的清水進(jìn)行加壓，加壓后的清水從噴淋盤25表面設(shè)置的噴嘴26中噴出，對使用后的罐體16進(jìn)行沖洗，提高了清洗效率，且利于減輕工人的勞動強(qiáng)度。

反應(yīng)腔14中設(shè)置有第一攪拌裝置8和第二攪拌裝置9。第一攪拌裝置8由第一電機(jī)17、第一攪拌軸22和攪拌片19組成；第一電機(jī)17通過第一減速器23與第一攪拌軸22連接，且第一電機(jī)17和第一攪拌軸22固定在上蓋1上表面；第一攪拌軸22底部固定有攪拌片19；攪拌片19在第一攪拌軸22上設(shè)置有4層，層與層之間相互垂直設(shè)置，每層設(shè)置有2片，2片攪拌片19設(shè)置在同一直線上；攪拌片19與鉛垂面成30°夾角，且攪拌片19表面均布有若干導(dǎo)料孔21。

第二攪拌裝置9由第二電機(jī)30、第二攪拌軸32、螺旋攪拌葉29和刮料板33組成。第二電機(jī)30通過第二減速器31與第二攪拌軸32連接，且第二電機(jī)30和第二減速器31固定在罐體16底面；第二攪拌軸32頂部通過雙面軸承20與第一攪拌軸22底部連接；第二攪拌軸32表面上固定有螺旋攪拌葉29；螺旋攪拌葉29端部設(shè)置有擋邊28；刮料板33設(shè)置成封閉的U型，底部與第二攪拌軸32固定連接，頂部通過轉(zhuǎn)動套18與第一攪拌軸22活動連接。

通過第一攪拌裝置8和第二攪拌裝置9的設(shè)置，對罐體16內(nèi)部的物料進(jìn)行攪拌，且第一攪拌裝置8和第二攪拌裝置9的攪拌方向相反，利于提高攪拌效果，便于物料的高效反應(yīng)。

通過刮料板33的設(shè)置，將黏附在罐體16內(nèi)壁上的物料刮下，便于充分反應(yīng)，且在排料時(shí)利于完全排料；罐體16外表面上設(shè)置有夾套7；夾套7頂部設(shè)置有進(jìn)水管6，底部設(shè)置有排水管13。罐體16內(nèi)壁底面鑲嵌有溫度計(jì)12；溫度計(jì)12通過導(dǎo)線與溫度顯示器15連接；溫度顯示器15固定在夾套7側(cè)壁上；通過向夾套7中引入冷水或者熱水，對罐體16進(jìn)行相應(yīng)的升溫和降溫處理，利用溫度計(jì)12和溫度顯示器15對物料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于進(jìn)行溫控，使物料在最適宜的溫度下反應(yīng)；罐體16底部設(shè)置有排料管11和支架10；排料管11設(shè)置有2套，對稱設(shè)置在罐體16底面左右兩側(cè)，便于提高排料速度。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

與現(xiàn)有技術(shù)相比，經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化的化工反應(yīng)罐具有如下創(chuàng)新和優(yōu)勢：通過清洗裝置的設(shè)置，利用加壓泵將進(jìn)水管引入的清水進(jìn)行加壓，加壓后的清水從噴淋盤的噴嘴中噴出，對使用后的罐體進(jìn)行沖洗，提高清洗效率；通過第一攪拌裝置和第二攪拌裝置的設(shè)置，對罐體內(nèi)部的物料進(jìn)行攪拌，且第一攪拌裝置和第二攪拌裝置的攪拌方向相反，同時(shí)在每個(gè)攪拌片位置對應(yīng)有出料孔，有利于提高攪拌效果，便于物料的高效反應(yīng)；通過刮料板的設(shè)置，將黏附在罐體內(nèi)壁上的物料刮下，便于充分反應(yīng)，且在排料時(shí)利于完全排料；通過向夾套中引入冷水或者熱水，對罐體進(jìn)行相應(yīng)的升溫和降溫處理，利用溫度計(jì)和溫度顯示器對物料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于進(jìn)行溫控，使物料在最適宜的溫度下反應(yīng)。

通過簡化化工反應(yīng)罐模型，采用三維雷諾平均 N-S方程，選取攪拌中心到罐壁的距離、下層攪拌片到罐底的距離、攪拌裝置的安裝角度，同時(shí)考慮攪拌裝置的轉(zhuǎn)速，以這4個(gè)因素對化工反應(yīng)罐內(nèi)液體流動、混合和傳熱的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，針對液體的傳熱和溫度變化進(jìn)行驗(yàn)證。在經(jīng)過驗(yàn)證后，化工反應(yīng)釜的改進(jìn)優(yōu)化效果對比見表2。

表2 反應(yīng)罐中改進(jìn)優(yōu)化效果對比Table 2 The comparison of improved effect in the reaction tank

4 結(jié)論

1)基于事故樹安全分析，化工反應(yīng)罐壓力異常升高導(dǎo)致安全事故的主要影響因素有攪拌效果差、溫度反饋不及時(shí)、反應(yīng)前未清理干凈罐體，為了防止此類安全事故的發(fā)生，需重點(diǎn)加以防范，采取相應(yīng)的安全措施，才能保證反應(yīng)罐的安全運(yùn)行。

2)預(yù)防化工反應(yīng)罐安全事故的發(fā)生，除了制定相應(yīng)的安全操作規(guī)程和以人為本的安全管理制度外，罐體的本質(zhì)安全結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是非常重要的一環(huán)。

3)通過對化工反應(yīng)罐進(jìn)行清洗裝置的改進(jìn)，有助于提高清洗效率，減輕工人勞動強(qiáng)度，減少人為操作失誤；通過第一攪拌裝置和第二攪拌裝置的設(shè)置，提高了攪拌效果，便于物料的高效反應(yīng)和散熱，避免壓力異常升高；通過溫度計(jì)和溫度顯示器對物料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于進(jìn)行溫控，使物料在適宜的溫度下反應(yīng)。從本質(zhì)安全的角度出發(fā)，改進(jìn)后的裝置有助于降低事故發(fā)生的概率。

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