基于Aspen和HAZOP的萃取精馏定量风险分析*

刘国生，刘香芝，岳兴起，张倩雯，姜广增，黄邦达

(山东石油化工学院，山东 东营 257061)

近年来随着国家陆续出台了系列文件，危险与可操作性分析(hazard and operability Analysis,HAZOP)已广泛用于探明生产装置和工艺过程中的危险及其原因，但传统的HAZOP分析是一种定性分析，高度依赖分析者的经验，对操作参数偏离产生的后果往往只能臆测产生的后果，不能有效回答偏差偏离程度后果量化的问题和偏差的临界范围值[1]。HAZOP分析的定量化研究，目前还处于起步阶段，提出的定量化分析方法有与LOPA[2]、贝叶斯网络[3]、及数学模型[4]相结合。近年来有学者提出将过程模拟与HAZOP分析相结合，如石艳娟[5]将HYSYS与HAZOP相结合，对汽提塔抽提工艺重要偏差进行模拟，给出了定量化的后果；陈海岭[6]利用Aspen Plus灵敏度分析功能模拟硝基苯生产硝化工段过程参数对目标参数的影响；于靓[7]基于化工流程动态模拟分析了精馏塔釜和冷凝器失效两种场景下工艺参数随时间的变化规律。上述研究为提高HAZOP分析准确性提供了新思路，取得了一定成效。

笔者在传统HAZOP风险分析的基础上，提出结合Aspen Plus灵敏度分析模块对筛分出的重要偏差进行模拟分析。以某企业乙酸乙酯-异丙醇-水精馏过程中的萃取精馏塔为研究对象，分析在生产过程中受到干扰，操作参数发生偏离的情况下，导致事故后果的程度，以期分析结果用于指导关键参数报警值的设定，提高过程安全。分析结果表明，该方法是一种操作性强且潜力巨大的风险分析方法，能够提高HAZOP分析的准确性与实用性。

1 过程模拟的HAZOP的偏差量化分析

基于Aspen Plus灵敏度分析的精馏塔HAZOP分析流程如下：

(1)传统HAZOP分析：对分析对象进行传统HAZOP分析，筛分出高风险偏差；

(2)建立工艺过程模型：根据提供的数据，在Aspen Plus里输入物性方法，组分信息、流股信息、模块参数等，建立正常条件下模型；

(3)偏差量化分析：运用灵敏度模块模拟不同程度的偏差对萃取精馏工艺参数的影响，得到安全操作阈值。

(4)优化HAZOP分析报告：根据模拟结果，对传统分析报告进行定量化完善。

Aspen Plus-HAZOP风险分析流程如图1所示。

图1 Aspen Plus-HAZOP风险分析流程图

2 实例分析

2.1 工艺流程简介和模型的建立

某制药企业生产过程中产生大量含乙酸乙酯和异丙醇的废水，为降低生产成本，同时为了保护环境，回收该废水中的乙酸乙酯和异丙醇，要求回收的异丙醇浓度、乙酸乙酯浓度均≥99wt%。该工段中有机废水经过T1塔热浓缩脱除绝大部分的水后进入T2萃取精馏塔，萃取剂丙二醇从T2塔上部引入，经过萃取精馏轻组分乙酸乙酯从T2塔顶采出，异丙醇、萃取剂、水则从T2塔底采出。在异丙醇从萃取精馏塔T3塔顶采出，萃取剂与少量的水从T3塔底采出后进入萃取剂回收塔T4进行分离，在萃取剂回收塔塔底得到萃取剂1,2-丙二醇，萃取剂纯度符合循环要求。

在利用Aspen Plus建立萃取精馏塔严格数学模型时，物性方法选择NRTL，由于乙酸乙酯-异丙醇二元体系的相平衡具有一定的非理想型，所以利用Strogly nonideal liquid来改善塔的收敛。建立的工艺流程模型如图2所示。

图2 工艺流程模型

选取T2萃取精馏塔为研究对象，其操作参数见表1。

表1 T2精馏塔操作参数

2.2 萃取精馏工段HAZOP场景筛选

超温、超压、产品纯度达不到要求是萃取精馏塔的典型事故，将萃取精馏工段的萃取剂进料管线、原料进料管线和精馏塔作为分析节点，根据人的经验进行HAZOP分析讨论时，认为造成上述三个危害事件的偏差有萃取剂进料量、原料进料量、进料温度和回流比的波动。基于此，结合Aspen Plus软件的灵敏度分析模块，选择了下四种场景进行灵敏度模拟分析见表2。

表2 灵敏度分析场景

2.3 定量化分析过程

图3 T2塔再沸器热负荷随萃取剂、进料量、进料温度、回流量波动

利用Aspen Plus灵敏度模块，模拟萃取剂进料流量、原料进料流量、进料温度、回流量波动围绕设定值-40%～40%，设置步长10%，在模拟过程中保持其他参数不变，进行单一参数变化，观察再沸器、冷凝器热负荷和乙酸乙酯纯度的波动情况，模拟结果见图3～图5。图3、图4中的重合点为精馏塔再沸器和冷凝器热负荷的设计值，图中横线表示两设备的安全阈值线，根据经验,安全阈值取两设备功率的120%，即再沸器热负荷的安全操作范围在0～943 kW，冷凝器热负荷的安全操作范围在-244～0 kW。图5中的重合点是操作参数为设计值时乙酸乙酯的纯度，产品纯度要求不低于99wt%。

图4 T2塔冷凝器热负荷随萃取剂、进料量、进料温度、回流量波动

图5 T2塔乙酸乙酯回收率随进料量、萃取剂、温度、回流量波动

从图3中可以明显看出再沸器热负荷随几个参数的波动近似呈线性变化，但各有不同：进料量、进料温度的增加，再沸器热负荷减小；回流量和萃取剂增加，热负荷增加。但只有当萃取剂偏差超过22.35%，即萃取剂流量高于9788 kg/hr时，再沸器热负荷才会超出安全阈值，其他参数引起的再沸器热负荷变化均在安全范围内。若再沸器功率长时间超出安全阈值会导致精馏塔内温度、压力升高，改变气液相平衡，降低分离效率；若偏离程度持续增大，可能会损坏设备，造成物料外漏，稍有不慎易引发火灾爆炸。虽然在设定值波动范围内，其他几个参数的变化并未引起再沸器热负荷超出安全阈值，但是进料量在减小40%时，已十分接近，要引起足够重视。萃取剂流量增加会导致后续萃取剂回收的动力成本及能耗增加，经济效益下降。同时结合图4、图5我们发现，萃取剂流量增加，冷凝器热负荷不变，当萃取剂进料流量小于6712 kg/h，产品纯度小于99%，将会影响塔顶产品质量。由此可见，萃取剂进料范围应控制在6712～9788 kg/h，可以通过设置萃取剂高低流量报警器来监控流量。

从图4中我们可以看出，萃取剂量和进料温度偏差对冷凝器热负荷影响不大；随着回流量的增加，冷凝器的热负荷不断上升，当回流量达到偏差超过24.9%，即当回流量超过22.72 kmol/hr时，冷凝器热负荷超过安全阈值；随着进料量增加，冷凝器热负荷先呈线性减小后基本维持在设计值，当进料量偏差超过-31.1%时，即进料量低于1575.4 kg/hr时，冷凝器热负荷将超过安全阈值。结合图5，随着进料流量的增加，塔顶产品乙酸乙酯纯度也随之升高，之后又基本不变。当进料流量在(偏差-40%)1372.8 kg/h时，乙酸乙酯的纯度非常低(不到0.6)，然而随着进料流量的增加，乙酸乙酯的纯度变化的非常明显，直到增加到2024 kg/h乙酸乙酯的纯度才达到要求。但是，在当进料流量大于2754 kg/h时，乙酸乙酯的纯度有微小的下降趋势。若流量过大则会导致精馏塔出现雾沫夹带现象，破坏塔的正常操作，甚至还会降低塔釜的温度，影响产品组成。由此可见，进料量波动范围应该在2024～2754 kg/h，回流量应小于22.72 kmol/hr，可以通过设置流量监控和报警装置来提高安全性。

3 结 论

本文以乙酸乙酯-异丙醇-水萃取精馏工艺工艺为背景，建立了Aspen Plus模拟与HAZOP分析相结合定量化工艺偏差模拟新方法，有效解决了HAZOP分析过程中后果定量化的问题，为生产操作提供可靠的安全操作阈值，建议措施更加有针对性和准确度，对工厂的实际生产更具有指导意义。

提出的Aspen Plus-HAZOP风险分析方法可以推广到反应器、热交换器等其他化工反应装置。在化工工艺实际生产过程中一个设备的损坏，往往会导致多参数同时发生偏离，因此，有待于对多偏差同时偏离的情形做进一步的分析研究。