基于模擬計算的甲醇精餾定量HAZOP 方法

劉沙沙，畢穎

（沈陽化工大學 環境與安全工程學院，遼寧 沈陽 1110142）

甲醇作為一種清潔能源，被廣泛地應用于化工領域。甲醇在工業生產中，要經過多種環節，但最后一環節粗甲醇精餾耗能極高且由于產品危險性大，容易造成中毒、火災、爆炸等重大工業事故。因此，為降低能耗和避免事故的發生，對系統進行合理優化之后，用傳統的HAZOP 分析辨識系統中的危險源，用流程模擬軟件對重大危險因素進行模擬有重大的理論價值與現實意義。但是目前粗甲醇精餾使用的風險分析方法仍然是傳統的危險性與可操作性分析方法。

危險性與可操作性分析（HAZOP）的目標在于辨識系統中的危險因素，通過研究設計偏離情況，解決系統中的危險問題，并提出針對性的解決方案[1-2]。傳統的HAZOP 分析是通過專家小組進行評價的，受到人員知識及經驗的影響，評價結果具有主觀性，因此是一種定性的分析方法。為了打破HAZOP 分析的主觀性，國內外學者對定量HAZOP研究并取得了進展：陳海嶺等提出了HAZOP 與Aspen Plus 相結合的分析方法，以苯硝化過程為例進行定量風險分析[3]。王嘉羽、蔣宏業[4]等采用HAZOP-Aspen Hysys 相結合的方法進行定量HAZOP 研究。

Aspen Plus 是最完善的大型化工流程模擬軟件，采用嚴格的數學方法客觀的模擬化工過程中的實際情況[5-6]，相比其他模擬軟件，Aspen Plus 具有更多的數據庫，本文將傳統HAZOP 與Aspen Plus 相結合，提出了一種用于粗甲醇精餾定量HAZOP 方法，在HAZOP 分析結果的基礎上引入Aspen plus 靈敏度分析方法，對偏差進行定量分析，有助于提高系統本質安全。

1 案例分析

確定研究對象為某化工廠年產26.7萬噸粗甲醇雙效精餾工藝，粗甲醇進料流量36 000 kg/h，進料溫度40 ℃，進料壓力1 000 kPa。生產指標要求甲醇含量（質量分數）≥0.99，精甲醇回收率≥99.0%。在滿足生產指標的前提下，運用Aspen Plus 軟件模擬實現HAZOP 偏差量化分析。粗甲醇成分信息見表1。

表1 粗甲醇組成

1.1 物性方法的選擇與模型建立

根據前人研究經驗，加壓塔與常壓塔均采用嚴格精餾RadFrac 模型。工藝流程圖如圖1 所示，來自合成工段的粗甲醇氣體加熱后進入預精餾塔，低于甲醇沸點的餾分（如二甲醚等）從預精餾塔的塔頂逸出，液相回流，經過換熱器加熱后進入加壓塔，在塔頂采出精甲醇，部分回流，經常壓塔精餾后，塔頂采出精甲醇，部分回流。加壓塔塔頂蒸汽冷凝潛熱作為常壓塔塔底再沸器熱源，兩塔之間形成雙效精餾[7-8]。

圖1 過程流程圖

1.2 雙效精餾系統的模擬優化與分析

1.2.1 進料位置的的影響

由圖2 看出隨著加壓塔進料位置的下降，加壓塔塔頂甲醇的含量逐步提高，當加壓塔進料位置增至第47 塊理論板后，加壓塔塔頂甲醇、乙醇含量已滿足生產標準。因此，加壓塔最佳進料位置為第47塊理論板。

圖2 進料位置對加壓塔產品質量的影響

由圖3 看出，常壓塔進料位置的變化對塔頂甲醇含量、乙醇含量有一定的影響。進料位置從第2塊理論板變化至40 塊理論板的過程中，塔頂甲醇含量不斷提高，乙醇含量不斷降低，當進料位置從40塊理論板變化到60 塊理論板的過程中，塔頂甲醇含量開始降低，乙醇含量顯著升高，因此，常壓塔最佳進料位置為第40 塊理論板。

圖3 常壓塔進料位置對常壓塔產品質量的影響

1.2.2 回流比的影響

由圖4 看出，回流比從2～5 變化過程中，加壓塔塔頂甲醇、乙醇含量逐步降低且在生產標準內，回流比從5～9 變化過程中，加壓塔塔頂甲醇含量已不滿足生產需求。因此，為了保證加壓塔頂甲醇含量最多，故應選擇加壓塔的回流比為2。

由圖5 看出，隨著常壓塔回流比的增大，塔頂甲醇含量逐漸增加，乙醇含量逐漸降低，當常壓塔回流比增至3 時，塔頂甲醇含量最多，乙醇含量最少，且滿足生產標準，因此，常壓塔適宜的回流比為3。

圖5 常壓塔回流比對常壓塔產品質量的影響

1.2.3 模擬結果

運用流程模擬軟件對雙效精餾系統進行模擬分析，得到了滿足生產指標和能耗最低的操作參數，如表2 所示。

表2 模擬結果

1.3 傳統HAZOP 分析結果

本文以精餾塔為分析節點，依據專家組成員的討論，最終確定進料溫度、進料流量不合理這一偏差會導致超溫、超壓、產品質量不合格，影響精餾效果。甲醇精餾反應中所涉及的物質具有火災爆炸危險性，一旦泄露將會威脅人的生命健康與財產安全，風險等級較高[9-10]。

1.4 HAZOP 定量化分析

確定定量分析偏差為進料溫度過高、過低，進料流量過高、過低，將進料溫度、進料流量波動范圍從-50%～50%分別與加壓塔、常壓塔冷凝器與再沸器做靈敏度分析，得到進料流量、進料溫度偏差對甲醇精餾的影響。

在此分析中保持塔參數不變，圖6、圖7 相交的部分分別為冷凝器與再沸器的設計值，其中加壓塔冷凝器為2 240.65 kW，再沸器為3 759.03 kW，常壓塔冷凝器為-22 739 kW，再沸器為19 341.9 kW。

圖6 進料流量、進料溫度偏差對加壓塔冷凝器和再沸器熱負荷的影響

圖7 進料流量、進料溫度偏差對常壓塔冷凝器和再沸器熱負荷的影響

根據經驗，兩設備功率的安全范圍上下浮動20%[11]，則加壓塔冷凝器與再沸器安全操作范圍分別是0～2 688.782 kW、0～4 510.836 kW 常壓塔冷凝器與再沸器安全操作范圍分別是-27 286.8～0 kW、0～23 210.28 kW。

由圖6、圖7 看出，溫度對兩塔冷凝器與再沸器的影響不大，一直在安全閾值范圍內，進料量的偏差使兩塔的熱負荷接近一次函數增長，當進料量達到43 200 kg/h 時，即相對偏差在20%左右時，加壓塔、常壓塔冷凝器與再沸器熱負荷均達到安全閾值。一旦進料流量過大，大于43 200 kg/h 且持續一段時間，將對精餾塔不利。冷凝器、再沸器長時過載工作，導致產品質量不合格。蒸汽不斷增加，導致液泛。塔底液位上升，產品流量超過安全范圍。塔頂流量增加，釋放出的氣體與空氣混合形成爆炸性混合物。當進料量小于43 200 kg/h，兩塔冷凝器與再沸器熱負荷均在安全閾值內，進料量的合理選擇會使傳質效果變好。雖然進料流量在18 000～36 000 kg/h，即偏差在-50%～0%范圍內，兩塔熱負荷均在安全閾值內，但進料量偏低引起蒸氣上升變慢，導致分離速度慢。因此，進料量在36 000～43 200 kg/h之間，即偏差在0%～20%范圍內。

由圖8 可知，隨著甲醇進料量的增加，產品回收率呈下降趨勢，為使產品回收率達到指標99%，即甲醇進料含量在35 532 kg/h 以內，偏差在5%以內，以保證產品質量的合格。

圖8 甲醇進料組成偏差對產品回收率的影響

1.5 定量HAZOP 分析結果

粗甲醇精餾定量HAZOP 分析得到進料量波動范圍應在0%～20%，甲醇進料組成應在0%～5%，如表3 所示。

表3 定量HAZOP 分析結果

2 結論

本文通過粗甲醇精餾過程的模擬，確定最優操作參數。再次運用定量HAZOP 分析方法，定量的分析了進料流量、甲醇進料組成偏差對系統的影響，結論如下：

1）應用流程模擬軟件Aspen Plus 基于平衡級模型的RadFrac 模塊，對甲醇雙效精餾系統進行模擬分析，分析進料位置、回流比等操作參數對系統的影響，在同時滿足生產標準和能耗最低端的情況下，得出最優操作參數。

2）采用Aspen Plus-HAZOP 相結合實現了甲醇精餾的定量HAZOP 分析，通過對進料流量、甲醇進料組成設置波動范圍，得到了偏差對系統的影響。

3）根據偏差對甲醇精餾過程的影響情況，得到工藝參數偏離設計值的安全范圍：進料流量偏差應在0%～20%，甲醇進料組成偏差應在5%以下。