基于動態模擬技術的化工過程本質安全設計的研究

佟亮亮,胡文強,王澤恒

(1.吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林智數網絡科技有限公司，吉林 吉林 132022)

化學工業是我國經濟發展的支柱型產業，伴隨著全球經濟崛起，科學技術的進步，現代化學工業向著大宗、連續化大的生產模式發展，裝置處理量日益增長，工藝流程日趨復雜、工藝裝置日漸復雜，加劇的了化工裝置出現安全隱患的可能，甚至發生安全事故的可能性。2019年3月21日，江蘇天嘉宜化工有限公司爆炸事故造成78人死亡；2019年4月15日，齊魯天和惠世制藥有限公司安全事故造成10人死亡，2019年多起化工事故慘痛教訓，折射出當前現代化學工業迫切需要可靠的安全技術將安全事故風險控制在可控范圍之內，化工過程的本質安全設計對于從設計源頭消除化工裝置的安全隱患具有重要的意義，本質安全設計既從工藝技術的先進性出發，又從工藝技術的成熟度思考[1]。在無法控制人為失誤的影響工藝裝置非正常工況運行條件下，化工過程本質安全設計從化工裝置設計根源消除或者減少了過程的危害。通用化工動態模擬技術是基于穩態模擬技術引入時間變量，開發起來的第四代化工模擬技術，引入時間變量可以模擬化工裝置的啟停車過程、模擬裝置實時運行狀態，模塊化操作相對傳統動態模擬技術，節省了化工過程模型開發時間[2]。將通用動態模擬技術應用到化工過程的本質安全設計可以模擬多種工藝路線的化工過程開發，對所選擇的工藝路線進行安全評估，對化工裝置多個運行狀態進行測試，為化工安全設計提供數據支撐。

1 本質安全設計

化工過程的本質安全設計思想是化工行業對工藝過程開發的創新性、成熟性、安全性三方面追求的結果，在保證良好的經濟效益的前提下，將整個裝置生命周期過程的危險因素進行通盤的考量，將裝置的產品質量、運行成本與安全特性有機結合，寄希望于將被動獲取安全事故處理后經驗教訓轉換為從從源頭削減可能發生的安全事故。與傳統的通過在裝置中安裝防護隔離系統以及控制技術使裝置進行平穩運行設計理念不同的是其核心思想就是通過工藝路線的選擇和工藝設計本身消除或者減小過程中的安全隱患。目前，化工行業對于化工過程的本質安全設計主要反映在從設計源頭消減工藝過程中可能出現的危險化學品，減少高危操作規程的數量。例如選用無毒或者低毒的反應物料替換劇毒的反應物料，選擇反應條件溫和的工藝路線替換高化學反應熱、高化學活性的工藝路線。

化工過程的本質安全設計思想貫穿于可行性研究、初步設計階段、施工圖設計階段、車間工藝設計等設計階段，隨著設計逐漸展開，消減工藝過程危險的成本也逐漸增加，在設計初期，設計自由空間較大，實現本質安全設計的思想條件較為充裕，消減危險而造成的投資造價相對較低，設計人員可以從工藝路線選擇即最基本化學方程式入手消減裝置發生安全事故的概率，降低安全事故的損失，減少因檢維修過程中產生的資金投入，減少使用安全防護裝置，降低誤操作的機會。化工過程的本質安全評價體系結構由如下四個方面組成：

(1)：反應物料的理化性質；

(2)：化學反應條件；

(3)：工藝條件；

(4)：產品貯存量；

2 通用動態模擬技術

動態流程模擬技術目前向大宗化智能工廠方向發展，化工流程模擬計算系統發展也不僅僅局限于工藝過程，流程模擬已被證明是執行系統和全局的有效分析工具，其在設計、測試、優化和整合過程工廠具有廣闊的應用前景，同時不僅在化工領域有很好的應用，在一些高危劇毒的行業也有很好的工業化應用成果。通用動態模擬技術以化學工程為基礎，在以機理數學模型進行求解計算，采用嚴謹的熱力學模型進行相平衡核算，并結合通用穩態流程模擬畫面技術新型動態模擬技術，通用模擬使用管網的拓撲計算模型對化工過程的管路進行求解計算，將各單元模擬計算模塊組合應用，依據序貫模塊計算策略進行求解，使用C語言進行編程，完成工藝裝置全流程的動態模擬系統的建立。通用動態模擬技術可以DCS控制系統模型、SIS聯鎖邏輯數學模型相結合對化工裝置常規操作進行模擬計算。設計人員將基礎物性數據、選取的熱力學參數、工藝管線參數、設備基礎數據輸入到系統內部、選取合適的收斂方法、設定計算容差，系統將對工藝裝置進行詳細的計算，最終計算結果以實時報告的形式呈現，包含各個管線內的組分含量、流體速度、溫度、焓值、壓力以及密度等數據，同時各個設備的計算數據例如：精餾塔全塔效率、熱交換器的熱負荷，冷卻水用量等得以體現。通用動態模擬技術為工程設計人員提供了一種新的工具可以進行逆向設計，成為化工過程開發本質安全設計的重要工具，模擬計算的過程也是對上一階段的設計工作進行評價分析，若在模擬計算過程中發現設計缺陷甚至設計錯誤，則需要對上一階段的設計工作進行梳理改正，重新設計，直至找到安全可靠的設計方案。

化學反應是化工過程開發的基石，是從源頭減少本質危險的重要策略，選取成熟、先進以及穩定安全的化學路線對消減化工裝置的危險具有舉足輕重的作用。在確定目標產品的條件下，存在多種反應路徑，在選擇了理化性質溫和的反應原料，可是使用通用動態模擬及數對最優反應路徑的進行求解，通過模擬系統的求解計算出具有選擇性高、反應速率適中、副反應少、副產物理化性質溫和的反應路徑。

反應路徑確定之后，然后計算工藝指標和確定設備型號，通用動態模擬技術可以對設備尺寸進行核算，將操作融入到過程開發中，測試設備的穩定性，在計算過程中將本質安全思想作為計算求解過程的約束條件之一，將消減危險操作、設備投資、操作費用作為目標函數進行求解。通過這種方法可以結合相近裝置發生過的安全事故，從最危險事故出發，測試設備運行狀態，運用逆向的設計方法，利用事故樹、HAZOP分析等安全分析方法對影響裝置安全運行的風險因素進行辨識，通過動態模擬計算提供數據，結合本質安全的設計原則，在設備選型時消減潛在危險因素。

同時，化工設計工作是一項系統工程，單一參數的修改以應對裝置某一處的具體危險，忽略了該參數對于其他危險因素的影響，這種修改不僅是無效的，甚可能影響全局的設計工作，增添了其他危險，通用動態模擬技術可以有效應對該種情況，通用模擬系統對化工裝置多工況進行模擬計算，不僅可以模擬裝置滿負荷的生產，還可以對裝置啟停車過程以及可能出現的事故進行模擬計算，在運行過程中可以隨時進行參數修改，修改結果會隨著系統運行平穩后得以顯示，更有利于設計人員對設計進行簡單修改，并很快可以在得到修改之后對全局設計的影響。

3 結論

化工過程本質安全設計的最終目標是消減或者減低設計過程中的危險有害因素，本質安全設計是傳統化工設計的創新應用，運用最新的科學理論成果、使用最成熟的工藝及設計方法，通過對化學反應和工藝設備的最優化求解，找到影響裝置本質安全的障礙，更好的消減化工過程的危險因素，從根源上減少化工安全事故的發生，促進裝置安全、穩定、高效、的運行，并尋求盡經濟利益的最大化。通用動態模擬技術結合化工過程本質安全的設計理念，可以提高設計人員的工作效率，利于化工過程開發尋找反應路線的最優解，最合適的工藝設備。可視化的圖形界面將實時計算的數據傳遞給設計人員，為設計提供設計支撐。通用模擬技術正在逐漸去的業界設計人員的認可，越來越多的參與到設計工作中。