基于动态模拟技术的化工过程本质安全设计的研究

佟亮亮,胡文强,王泽恒

(1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林智数网络科技有限公司，吉林 吉林 132022)

化学工业是我国经济发展的支柱型产业，伴随着全球经济崛起，科学技术的进步，现代化学工业向着大宗、连续化大的生产模式发展，装置处理量日益增长，工艺流程日趋复杂、工艺装置日渐复杂，加剧的了化工装置出现安全隐患的可能，甚至发生安全事故的可能性。2019年3月21日，江苏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，齐鲁天和惠世制药有限公司安全事故造成10人死亡，2019年多起化工事故惨痛教训，折射出当前现代化学工业迫切需要可靠的安全技术将安全事故风险控制在可控范围之内，化工过程的本质安全设计对于从设计源头消除化工装置的安全隐患具有重要的意义，本质安全设计既从工艺技术的先进性出发，又从工艺技术的成熟度思考[1]。在无法控制人为失误的影响工艺装置非正常工况运行条件下，化工过程本质安全设计从化工装置设计根源消除或者减少了过程的危害。通用化工动态模拟技术是基于稳态模拟技术引入时间变量，开发起来的第四代化工模拟技术，引入时间变量可以模拟化工装置的启停车过程、模拟装置实时运行状态，模块化操作相对传统动态模拟技术，节省了化工过程模型开发时间[2]。将通用动态模拟技术应用到化工过程的本质安全设计可以模拟多种工艺路线的化工过程开发，对所选择的工艺路线进行安全评估，对化工装置多个运行状态进行测试，为化工安全设计提供数据支撑。

1 本质安全设计

化工过程的本质安全设计思想是化工行业对工艺过程开发的创新性、成熟性、安全性三方面追求的结果，在保证良好的经济效益的前提下，将整个装置生命周期过程的危险因素进行通盘的考量，将装置的产品质量、运行成本与安全特性有机结合，寄希望于将被动获取安全事故处理后经验教训转换为从从源头削减可能发生的安全事故。与传统的通过在装置中安装防护隔离系统以及控制技术使装置进行平稳运行设计理念不同的是其核心思想就是通过工艺路线的选择和工艺设计本身消除或者减小过程中的安全隐患。目前，化工行业对于化工过程的本质安全设计主要反映在从设计源头消减工艺过程中可能出现的危险化学品，减少高危操作规程的数量。例如选用无毒或者低毒的反应物料替换剧毒的反应物料，选择反应条件温和的工艺路线替换高化学反应热、高化学活性的工艺路线。

化工过程的本质安全设计思想贯穿于可行性研究、初步设计阶段、施工图设计阶段、车间工艺设计等设计阶段，随着设计逐渐展开，消减工艺过程危险的成本也逐渐增加，在设计初期，设计自由空间较大，实现本质安全设计的思想条件较为充裕，消减危险而造成的投资造价相对较低，设计人员可以从工艺路线选择即最基本化学方程式入手消减装置发生安全事故的概率，降低安全事故的损失，减少因检维修过程中产生的资金投入，减少使用安全防护装置，降低误操作的机会。化工过程的本质安全评价体系结构由如下四个方面组成：

(1)：反应物料的理化性质；

(2)：化学反应条件；

(3)：工艺条件；

(4)：产品贮存量；

2 通用动态模拟技术

动态流程模拟技术目前向大宗化智能工厂方向发展，化工流程模拟计算系统发展也不仅仅局限于工艺过程，流程模拟已被证明是执行系统和全局的有效分析工具，其在设计、测试、优化和整合过程工厂具有广阔的应用前景，同时不仅在化工领域有很好的应用，在一些高危剧毒的行业也有很好的工业化应用成果。通用动态模拟技术以化学工程为基础，在以机理数学模型进行求解计算，采用严谨的热力学模型进行相平衡核算，并结合通用稳态流程模拟画面技术新型动态模拟技术，通用模拟使用管网的拓扑计算模型对化工过程的管路进行求解计算，将各单元模拟计算模块组合应用，依据序贯模块计算策略进行求解，使用C语言进行编程，完成工艺装置全流程的动态模拟系统的建立。通用动态模拟技术可以DCS控制系统模型、SIS联锁逻辑数学模型相结合对化工装置常规操作进行模拟计算。设计人员将基础物性数据、选取的热力学参数、工艺管线参数、设备基础数据输入到系统内部、选取合适的收敛方法、设定计算容差，系统将对工艺装置进行详细的计算，最终计算结果以实时报告的形式呈现，包含各个管线内的组分含量、流体速度、温度、焓值、压力以及密度等数据，同时各个设备的计算数据例如：精馏塔全塔效率、热交换器的热负荷，冷却水用量等得以体现。通用动态模拟技术为工程设计人员提供了一种新的工具可以进行逆向设计，成为化工过程开发本质安全设计的重要工具，模拟计算的过程也是对上一阶段的设计工作进行评价分析，若在模拟计算过程中发现设计缺陷甚至设计错误，则需要对上一阶段的设计工作进行梳理改正，重新设计，直至找到安全可靠的设计方案。

化学反应是化工过程开发的基石，是从源头减少本质危险的重要策略，选取成熟、先进以及稳定安全的化学路线对消减化工装置的危险具有举足轻重的作用。在确定目标产品的条件下，存在多种反应路径，在选择了理化性质温和的反应原料，可是使用通用动态模拟及数对最优反应路径的进行求解，通过模拟系统的求解计算出具有选择性高、反应速率适中、副反应少、副产物理化性质温和的反应路径。

反应路径确定之后，然后计算工艺指标和确定设备型号，通用动态模拟技术可以对设备尺寸进行核算，将操作融入到过程开发中，测试设备的稳定性，在计算过程中将本质安全思想作为计算求解过程的约束条件之一，将消减危险操作、设备投资、操作费用作为目标函数进行求解。通过这种方法可以结合相近装置发生过的安全事故，从最危险事故出发，测试设备运行状态，运用逆向的设计方法，利用事故树、HAZOP分析等安全分析方法对影响装置安全运行的风险因素进行辨识，通过动态模拟计算提供数据，结合本质安全的设计原则，在设备选型时消减潜在危险因素。

同时，化工设计工作是一项系统工程，单一参数的修改以应对装置某一处的具体危险，忽略了该参数对于其他危险因素的影响，这种修改不仅是无效的，甚可能影响全局的设计工作，增添了其他危险，通用动态模拟技术可以有效应对该种情况，通用模拟系统对化工装置多工况进行模拟计算，不仅可以模拟装置满负荷的生产，还可以对装置启停车过程以及可能出现的事故进行模拟计算，在运行过程中可以随时进行参数修改，修改结果会随着系统运行平稳后得以显示，更有利于设计人员对设计进行简单修改，并很快可以在得到修改之后对全局设计的影响。

3 结论

化工过程本质安全设计的最终目标是消减或者减低设计过程中的危险有害因素，本质安全设计是传统化工设计的创新应用，运用最新的科学理论成果、使用最成熟的工艺及设计方法，通过对化学反应和工艺设备的最优化求解，找到影响装置本质安全的障碍，更好的消减化工过程的危险因素，从根源上减少化工安全事故的发生，促进装置安全、稳定、高效、的运行，并寻求尽经济利益的最大化。通用动态模拟技术结合化工过程本质安全的设计理念，可以提高设计人员的工作效率，利于化工过程开发寻找反应路线的最优解，最合适的工艺设备。可视化的图形界面将实时计算的数据传递给设计人员，为设计提供设计支撑。通用模拟技术正在逐渐去的业界设计人员的认可，越来越多的参与到设计工作中。