基于E T A的四溴双酚A合成生产工艺安全分析

刘思洋

（大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆 163457）

0 引言

随着我国社会经济的持续发展，人们对具有阻燃特性的塑料制品的需求也呈现不断提高的趋势。四溴双酚A作为双酚A的衍生物，是常用的溴化阻燃剂之一，它既可以作为反应型阻燃剂也可以作为添加剂型阻燃剂，被广泛应用于具有阻燃特性的高性能塑料制品添加剂中。在四溴双酚A生产过程中，其产出物的品质及生产过程的安全问题会受到多方面因素的综合影响，其中生产工艺各环节的可靠性直接影响着生产过程的安全性。近年来，国内外已发生多起因物料反应过程的不合理而造成的安全生产事故，例如2016年山东潍坊寿光海圣化学有限公司在生产车间进行设备安装时，因违章动火引发正在生产中的1#和3#四溴双酚A低温反应釜内可燃气体发生爆炸，事故造成8人死亡、5人受伤。四溴双酚A制备是一个复杂的系统工程，主要包括氯化双酚A配料预处理系统、调压计量系统、温度调节系统、离心干燥系统等。刘建伟[1]在过氧化氢氧化溴代法制备四溴双酚A的合成实验中，研究了过氧化氢的用量、溶剂选择、反应温度以及物料配比对合成实验的的影响，选择出最佳的合成工艺条件；张崴[2]针对四溴双酚A装置制冷机组制冷剂循环系统存在的冷量损失问题，探讨了提高制冷系统制冷效率的途径和措施；唐星三[3]介绍了溴素双氧水同步滴加合成四溴双酚A的工艺以及与其合成工艺降表的优缺点。这些研究一定程度上促进了四溴双酚A安全高效的生产，但现有研究大多是通过改善生产工艺条件来提高生产安全，对生产工艺的可靠性缺乏定量研究。

目前针对生产工艺可靠性的研究方法较多，但由于缺乏必要的研究数据，多数评价方法只能停留在定性研究阶段，无法全面反映影响化工生产安全的所有因素。事件树分析（Event Tree Analysis，ETA）是建立在概率论和运筹学基础上，用以解决不确定性系统的决策问题具有很好的效果[4]。因此，本文采用ETA分析和专家评分法，对四溴双酚A生产工艺的可靠性进行定性和定量研究。

1 事件树分析法介绍

1.1 事件树定义

ETA是从一个起始事件开始，按照事件树发展的顺序考虑各环节事件成功或者失败，预测各种可能结果的归纳分析方法[5-7]。逐一从所有可能的起始事件出发，通过ETA可以分析出复杂系统中可能出现的各种事故模式及其后果，并能根据起始事件及各环节事件的概率计算各种结果的概率。

1.2 事件树的基本原理及分析程序

ETA 的理论基础是系统工程的决策轮，最初用于系统可靠性分析问题，它是用原件的可靠性表示系统的可靠性的系统分析方法，系统中每个子系统都存在正常和失效两种可能的状态。按照系统的构成状况，顺序分析各子系统成功和失效的可能，直到最后一个子系统，形成一个水平放置的树状图。

通常而言，ETA的基本程序可以概括为如下的4个步骤：

（1）确定系统及其构成因素，即明确待分析的对象及其范围，找出系统的组成要素（子系统），明确其功能。

（2）确定可能导致系统故障（事故）的起始事件。

（3）建造事件树。对系统中直接受到起始事件影响或直接影响起始事件发展方向的要素，考虑其成功或失败两种状态；以这些要素的成功或失败为环节事件，进一步分析其他要素受环节事件影响后的成功或失败状态，以此类推。

（4）进行定量分析。根据起始事件和各环节事件的发生概率，计算各种结果的概率。

ETA分析的基本程序，如图1。

图1 E T A分析流程图Fig.1 Analysis flow chart of ETA

2 四溴双酚A生产工艺流程分析

2.1 主要原料分析

四溴双酚A生产中涉及到的主要原料为双酚A、溴素、双氧水、氯苯。其物理化学性质，见表1。

表1 四溴双酚A主要原材料理化性质表Tab.1 Physical and chemical properties of main raw materials of tetrabromobisphenol A

2.2 合成原理分析

该生产工艺采用过氧化氢氧化溴代法。在氯苯溶剂中，双酚A和溴素在双氧水的作用下生成四溴双酚A，其反应过程，如图2。

图2 四溴双酚A合成原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the synthesis principle of tetrabromobisphenol A

2.3 生产工艺过程

四溴双酚A生产工艺主要分为低温溴化工序、高温溴化工序、中和水洗工艺。其生产工艺过程，如图3。

图3 四溴双酚A生产工艺过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the production process of tetrabromobisphenol A

3 四溴双酚A制备事故隐患的事件树构建

本文根据四溴双酚A生产工艺过程及化工行业对安全生产管理的相关要求，绘制了某化工企业四溴双酚A的事故隐患检查事件树，如图4，并进行定量分析。最后将计算结果与给定的判定值进行比较，当事故隐患概率大于判定值，则认为该生产工艺存在危险，应采取相应的防范措施；当事件树事故隐患概率小于判定值，则判断生产工艺暂不存在较大危险性。此处，事故隐患评判标准值的选定采用大量数据统计分析显著性检验P值及化工安全生产管理经验双向评判[8]，并将P＞0.05作为判定生产系统存在危险的信号。

图4 四溴双酚A制备事故隐患事件树Fig.4 Accident hazard event tree of tetrabromobisphenol A production

4 事件树分析

4.1 事件树各环节事件失效概率的分析

由于该化工企业缺乏四溴双酚A生产工艺各环节事件失效统计资料，难以直接采用统计学方法直接获取[9]，本文对事件树中各环节事件的失效概率，采用专家打分法确定各环节事件的实际影响值，见表2，并对影响值进行标准化处理，将各环节影响值通过min-max标准化映射到[0-1]区间，具体处理方法如式（1）所示。

式中：

Ki—第i个环节事件的实际影响值；

ai—第i个环节事件的影响值；

ai,max—第i个环节事件的影响值的最大值；

ai,min—第i个环节事件的影响值的最小值（专家打分值）。

表2 生产工艺各环节影响值专家打分计算表Tab.2 Production process, impact value, expert score calculation table

根据企业生产设备检修记录数据，为四溴双酚A生产工艺各环节进行权数选择，将生产环节设备故障频次进行了分类，共计5个等级，各等级权重，见表3。

根据公式（2）确定四溴双酚A生产工艺各环节事件的失效概率，计算结果，见表4。

表3 四溴双酚A生产工艺各环节频次及权数统计表Tab.3 Frequency and weight statistics of the production process of tetrabromobisphenol A

式中，

qi—第i个环节事件失效概率；

Ki—第i个环节事件实际影响值；ωi—第i个环节事件权数值。

表4 四溴双酚A生产工艺各环节失效概率计算表Tab.4 Calculation table of failure probability of each link in the production process of tetrabromobisphenol A

4.2 四溴双酚A制备过程事故发生概率计算

根据图4事件树可知，四溴双酚A制备过程事故发生的模式共有7种，见表5。根据布尔代数运算法则，各环节事件的失效与否是独立事件，且当任一环节事件失效则说明事故的发生，因此只需计算每一种事故模式的发生概率，即可得到事故发生概率。

因此，可以计算出四溴双酚A制备过程事故发生概率为

根据统计学相关理论，取数据检验水平α=0.05，当数据P值大于α值时，认为数据与I类错误间无差异。在事故统计中，当事故发生概率大于0.05时，即认为事故发生概率过高，应加强对生产工艺的安全隐患排查，企业应当启动应急预案，按照程序开展相应的安全检查和设备维护保养等工作。

表5 四溴双酚A制备过程事故模式分析表Tab.5 Analysis of accident mode of tetrabromobisphenol A preparation process

5 结论

计算结果表明采用ETA进行四溴双酚A合成生产工艺分析效果良好，但值得指出的是文中对各环节事件的影响度分析采用的专家打分法易受到专家主观因素的影响，因此在分析时应保证专家的评议是独立的。文章主要结论有：

（1）采用事件树方法构建了以启动信号为初始事件的四溴双酚A合成生产工艺事件树。

（2）在各环节事件失效概率计算时，通过专家打分和min-max标准化数据处理方法确定了生产工艺各环节事件的影响度，同时采用HEART方法对工艺环节事件的失效概率进行了计算。

（3）最后用布尔代数运算法则计算得到四溴双酚A制备过程事故发生概率为0.1273，高于统计分析检验水平，应加强对生产工艺的安全隐患排查。