基于DOW指数法的己内酰胺生产工艺安全分析

郭 凡 於孝春 袁东明

(南京工业大学机械与动力工程学院)

己内酰胺是现代制造工业中化纤和工程塑料的重要原料[1]，其主要用途是通过聚合生成尼龙或锦纶，进一步加工成工程塑料及塑料薄膜等。随着己内酰胺生产需求量的增大，越来越多的厂家建立己内酰胺生产车间，装置风险也随之增加，因此尽可能地降低火灾、爆炸事故的发生已经迫在眉睫。HPO法是目前应用最广泛的己内酰胺合成工艺，其产流程主要包括环己酮制备、环己酮肟化和重排3大工序。针对某公司的HPO法己内酰胺合成工艺，分析其生产过程中工艺、设备和物质的险性，利用道化学(DOW)火灾、爆炸指数评价方法对整个装置、生产过程进行安全评价，找到存在较大风险的单元，及时采取补偿措施，尽可能地减少事故的发生，减少盲目性，保证生产有条稳步地进行，保障人身安全，减少企业的经济损失[2～4]。

1 己内酰胺工艺过程火灾、爆炸危险性分析

己内酰胺装置在生产过程中涉及到的物质主要有环己烷、环己酮、环己醇、环己酮肟及己内酰胺等，生产过程中涉及到的主要危险物品主要有苯、甲苯、氢气、氮气、氨水、发烟硫酸、废碱液及焦油等。己内酰胺生产过程中易燃、易爆、有毒物质繁多，结合己内酰胺整套装置的生产过程特点，笔者从以下几个方面分析工艺和设备存在的主要危险因素[5]：

a. 己内酰胺生产装置中设备繁多，工程工艺先进，生产工序非常复杂，充分体现了高度自动化、密闭化和连续化的特点。但一旦某一部件发生失效故障，不仅给企业带来停产困扰，更有可能对人员和财产造成极大损失。

b. 每个单元的生产设备繁多，极易出现操作上的纰漏，如设备的温度及压力等参数控制不当，就会造成反应失控；联锁和监测仪器运行不当，部件失灵无法保证安全生产；设备不及时检修就会忽略各种失效迹象，导致设备发生泄漏等危险，造成无法预测的损失。

c. 生产过程中涉及的工艺介质多种多样，产品和中间物质多数具有挥发性及毒性等，若工艺参数控制不当，极易引发重大事故，如发烟硫酸和碱液的浓度超过一定浓度时，会严重腐蚀设备，甚至污染环境。

d. 生产作业场所人员的违规操作活动。一些突发事故(如停水、停电等)发生时，操作人员的违规操作也会造成火灾、爆炸及中毒等事故的发生。

e. 整套己内酰胺装置的管道、储罐和贮槽很多，长期操作过程中，在热力、应力和环境的共同作用下，也会发生失效故障。

2 DOW火灾、爆炸指数法评价

2.1 选取评价单元

笔者仅选取苯加氢反应单元、环己烷氧化分解反应单元、羟胺制备单元、氨氧化单元、肟化反应单元和环己酮肟重排单元为评价对象：

a. 苯加氢反应单元。该单元主要危险物质为氢气、苯及轻油等，属于高温高压过程，操作温度为573℃，操作压力为3 400kPa。

b. 环己烷氧化分解反应单元。该单元主要是将环己烷氧化成环己基过氧化氢，在催化剂作用下分解为粗醇酮物质，副产品是有机酸，具有腐蚀性，属于易燃易爆过程，操作温度为473℃ ，操作压力约为611kPa[6,7]。

c. 氨氧化单元。该单元主要是对煤气中所含的氨进行回收，主要危险物质为煤气，属于常温常压过程。

d. 羟胺制备单元。该单元的主要物质是氨气、氨水、磷酸、硝酸及氢气等，属于腐蚀环境，反应要求达到2 650kPa的操作条件，温度为55℃，反应异常时，危险性很大。

e. 肟化反应单元。该单元中环己酮在甲苯溶液中与磷酸、羟胺进行肟化反应，生成环己酮肟，反应温度为50℃，危险物质为甲苯及环己酮等，温度控制严格，极易结晶堵塞。

f. 环己酮肟重排单元。该单元的主要介质为发烟硫酸、转位酯、肟及SO3等，处于腐蚀环境，温度165℃，压力1 480kPa，极易发生副反应失控，危险性大[8]。

上述6个单元的物质危险特性与主要设备见表1、2。

表1 物质危险特性

*空气的相对密度为1。

表2 评价单元的主要设备

2.2 评价单元物质系数MF确定

计算火灾、爆炸指数的及评价其他危险性时，物质系数MF是最基础的参数，对照DOW指数法的物质系数和特性表，确定评价单元的危险物质分量和系数：

a. 苯加氢反应单元。该单元的主要物质为苯和氢气，苯的危险性大、燃烧热值高、含量大，故选取苯为重要物质，其物质系数为1。

b. 环己烷氧化分解反应单元。该单元的主要物质为环己烷和氧气，环己烷为危险物质，其物质系数为16。

c. 羟胺制备单元。该单元的主要物质为铵根、磷酸和羟胺，磷酸为中弱酸，不易燃，可以忽略，故取羟胺为重要物质，其物质系数为29。

d. 氨氧化技术单元。该单元的主要物质为氨气和氧气，氨气占最大比例，危险性较大，故选取氨为重要物质，其物质系数为4。

e. 肟化反应单元。该单元的主要物质为环己酮，故选取环己酮为重要物质，其物质系数为14。

f. 环己酮肟重排单元。该单元的主要物质为己内酰胺，故取己内酰胺为重要物质，其物质系数为14。

2.3 确定评价对象单元工艺危险系数F3

确定工艺单元危险系数F3时，需要分别确定一般工艺危险性系数F1和特殊工艺危险性系数F2。一般工艺危险性是确定事故危险程度的主要因素，主要包括放热反应、吸热反应、物质贮藏与输送、封闭结构、通道和排放、泄漏(表3)。特殊工艺危险性是导致事故发生的主要因素，主要包括毒性物质、负压操作、在爆炸极限范围内或其附近操作、粉尘爆炸、压力释放、低温、易燃物质与不稳定物质数量、腐蚀、明火设备、热油交换系统、转动设备和轴封与接头处的泄漏共12项内容(表4)。

表3 评价单元一般工艺危险系数F1

表4 评价单元特殊工艺危险系数F2

评价单元危险系数F3是一般工艺危险系数F1与特殊工艺危险系数F2的乘积，即F3=F1×F2。经计算每个评价单元的危险系数F3依次为12.600、10.586、5.310、6.300、10.452、5.436。

2.4 计算火灾、爆炸指数(F&EI)

火灾、爆炸指数是用来估算己内酰胺装置在生产过程中发生事故后可能造成的破坏状况，是物质系数MF与单元危险系数F3的乘积，即F&EI=MF×F3。F&EI危险等级和评价单元危险等级见表5、6。

表5 F&EI危险等级

表6 评价单元F&EI危险等级

从表6中所列的数据可以看出：苯加氢反应单元，环己烷氧化分解反应单元，氨氧化单元和肟化反应单元的火灾、爆炸指数F&EI的值很高，危险等级为非常大和很大，使生产装置的潜在风险性极高。因此需提出安全措施对其进行补偿修正，以降低风险等级[8]。

2.5 安全措施补偿系数

安全措施主要分为工艺控制、物质隔离和防火措施，补偿系数分别为C1、C2、C3(表7～9)，安全补偿系数C=C1×C2×C3。对每个评价单元进行补偿修正后，可根据F&EI-1=F&EI×C得到新的F&EI等级(表10)。

表7 工艺控制安全补偿系数C1

表8 工艺控制安全补偿系数C2

表9 防火措施安全补偿系数C3

表10 评价单元进行补偿修正后新的F&EI等级

从表7～9可以看出：抑爆措施、冷却装置、连锁装置、消防系统及检测泄漏装置等为主要补偿措施[10]。因此在生产区域、装置和建筑物间均需设置足够的防火安全间距，道路需要根据消防车对通道的要求进行设计与布置；产生燃爆性气体和粉尘的厂房内需采取相应的通风、除尘措施，以降低爆炸性物质浓度，使其低于燃爆下限；存在易燃、易爆物质的设备和管道需采取相应的防静电措施；设置超压报警、安全连锁和自动切断煤气装置；易爆设备和管线进行开、停机时需设有蒸汽吹扫装置；消防系统应设专用消防给泵，以保证消防时的水压、水量要求，室内、外按消防规范设置消火栓、干粉灭火器及手提式磷酸铵盐灭火器等；应保证系统各冷却系统正常运行，冷却水循环合理；需定期检测设备安全状况，保证液位、温度及压力等参数稳定。

经过上述补偿修正后，苯加氢反应单元、环己烷氧化分解反应单元、氨氧化单元和肟化反应单元的F&EI变小，F&EI等级变为中等危险等级，造成的危险性也减小，为装置的安全运行提供了可靠保障。

3 结束语

结合己内酰胺整套装置的生产过程特点，分析了工艺和设备存在的主要危险因素，以主要单元的工艺特点和物质特性为危险性分析对象，利用DOW指数法进行评价、分析，并从安全措施入手降低单元的风险等级，为装置的安全运行提供了可靠保障，以便于开展后续的装置完整性分析与管理工作。

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