化工安全生产在化工仿真培训系统中的体现

刘春艳 汤宝全(.承德石油高等专科学校化工系, 河北 承德 067000;.中国石油华北石化公司, 河北 任丘 06550)

化工生产具有高温、高压、易燃、易爆、易中毒、有腐蚀性等特点，在正常运行中经常发生火灾、爆炸、中毒等事故，而且造成的后果严重。不仅国家财产出现重大损失，还伴有生产操作人员的伤亡现象，因而较其他工业部门有更大的危险性。

当前世界各国化工企业的发展趋势都是生产装置大型化，因为采用大型生产装置可以有效降低建设投入和单位产品的生产成本，提高劳动生产能力，有利于资源的充分利用和能耗的降低。由于化工生产和储存规模扩大，通常都是重大危险源，因此要切实加强安全管理。

化工生产由作坊手工生产转变为高度自动化生产，由间歇生产转变为连续化生产过程，生产设备改进为密闭式，大型生产装置伫立在室外，生产操作通过计算机控制，将仪表自动化和集散控制系统应用于化工生产过程，所有这些都对生产人员的理论技术水平和装置操作能力提出了更高的要求，否则一旦出错就会造成巨大的经济损失和人员伤害。由于化工生产必须确保安全、稳定、连续化满负荷生产，企业新进员工要经过化工仿真培训，并通过考核后才可以满足这一要求。

企业使用的化工仿真培训系统基于对典型化工生产过程的模拟，如：实际的生产现场、装置设备、DCS操作站和关键工艺参数的实时趋势动态。这样的设计理念使得培训人员获得更真实的工作环境体会，了解生产过程的工艺说明，熟悉装置的流程路线，具备分析问题、解决问题的能力，会操作生产设备，更为重要的是获得预防事故、处理事故的能力。

1 以间歇操作釜式反应器单元为例

根据真实化工生产过程，北京化工大学与西门子(中国)公司联合推出的MPCE-1000高级多功能过程控制实训系统，适用于化工企业员工和化工专业各层次学生的培训而设计。其中的硫化促进剂间歇操作釜式反应器单元，模拟了2-巯基苯并噻唑的实际生产过程，包括反应中的化学和物理变化，模拟了一些关键工艺指标的控制要求，通过仿真控制网络的反馈操作，形成了一个现实的工艺生产过程，更具有工业背景。特别在开车操作过程中，通过对操作要点的条件设置，体现了化工安全生产的要求，强化了培训人员的安全生产意识。

来自备料工序的S、Na2S和水在R1反应器中制备多硫化钠，并送入F1沉淀罐中；CS2、C6H4ClNO2则分别注入F4、F5计量罐，三种反应原料经静置沉淀后注入R2反应釜中。反应釜夹套内通蒸汽和冷却水，釜内设蛇管通冷却水，共同调节反应釜温度来控制主反应速度和副反应速度，提高反应过程的安全保障和获得较高的目的产品收率。

2 多硫化钠的来料过程和控制

仿真过程：向F1沉淀罐进多硫化钠，待液位至3.60米时关闭进料阀，静置4分钟(实际4小时)备用。

在仿真操作过程中，很多培训人员不理解静置时间设置的需要，不能严格等待4分钟，而进入下一步骤的操作，出现操作过程错误的扣分现象。这就是一个化工安全生产需要重视的问题：多硫化钠(Na2Sn)中的含硫数n。实践证明，随着含硫数n的增加，硫化促进剂的缩合反应产率相应提高；但当n增加到4时，产率趋于稳定；当n过高时，缩合反应中游离硫的数目开始增加。游离的硫结集在蛇管和夹套上，覆盖传热面而影响传热，进而影响反应过程中压力的控制。因此，多硫化钠(Na2Sn)中的n取2～4之间，多余的硫应除去。

R1是敞开式多硫化钠反应槽。用HV-1手操阀加硫化钠，用HV-2手操阀加硫磺，用HV-3手操阀加水，用HV-4直接通入蒸汽加热。反应槽设有搅拌，其电机开关为M01。反应槽液位由H-1指示，单位m，温度由T1指示。R1中制备完成的多硫化钠通过M3泵打入F1立式圆桶形沉淀槽。液位由H-2指示，单位m。经沉淀的多硫化钠清液从F1沉淀层的上部引出，通过M4泵及V16出口阀打入R2反应釜。F1中的固体沉淀物从底部定期排污。

3 间歇反应釜的压力控制

仿真过程：反应釜中压力不大于0.8 MPa。

间歇反应釜内部承受反应压力，是对安全性有较高要求的密闭容器。在使用中如果出现超压现象，则有爆炸的危险，不仅设备自身遭到毁坏，还会破坏周围的生产装置和建筑物，甚至发生连锁反应，酿成灾难性事故。为使该反应釜操作在确保安全的前提下达到设计先进，结构合理的目的，仿真软件设置了HV-21 反应釜放空阀和V26 反应釜安全阀的压力保护系统。

该缩合反应剧烈阶段约维持在120℃左右，当反应温度大于128℃相当于压力超过0.8 MPa时，已处于事故状态，将会报警扣分。此时要立刻关闭M2搅拌电机，R2反应釜中的物料停止搅拌而沉降分层，反应速率快速降低。如果反应温度大于150℃，即压力超过1.20MPa，属于超压危险状况，系统会再次报警扣分。此时应迅速打开HV-21放空阀，强行泻出反应釜压力。在放空泄压过程中会造成CS2蒸汽的散失，同时也会污染大气，所以压力一旦恢复至安全值，应立刻关闭HV-21放空阀，如果压力再度上升，可多次操作；但是，CS2的散失可直接影响目的产物的产率。反应温度大于160℃相当于压力超过1.50 MPa，已接近爆炸事故，V26反应釜安全阀起动，间歇釜内压顶起阀瓣，使其离开阀座，安全阀开启，反应气体一泻而出，待间歇釜内压力下降至安全值，阀瓣又紧压阀座，保持釜内密封状态。如果前三种超压应急措施都不能见效，反应釜压力升至1.60MPa以上，仿真系统将认定反应釜发生爆炸事故：紧急事故报警系统启动，缩合过程被冻结，操作人员成绩为零分。

4 反应釜的温度控制

仿真过程：反应釜温度应维持在120℃，可减弱副反应，提高硫化促进剂的主反应速度。

间歇反应釜的缩合反应过程可分为升温阶段、过渡阶段、恒温阶段、出料阶段。釜温控制的重点在于反应初始的稳定和置换反应热的准确快速。强烈的放热反应在反应釜内进行时，若反应过程失控，聚集反应热，反应温度随之升高，促使反应速度加快，反应压力增大；如果压力急剧上升超过反应釜的承压上限时，釜壁破裂，高压反应物料喷涌而出；同时，反应温度上升过快，反应物料还可能发生分解、燃烧，引发火灾或爆炸，释放有毒有害物质。因此反应釜超温的事故发生率高，损失严重，应极力避免。

先将CS2、C6H4ClNO2、多硫化钠以一定比例加入到釜内进行搅拌，在夹套中通入蒸汽将釜温升至45℃左右，缩合反应已经发生，并逐渐释放反应热，不断加快反应速度。当反应温度上升至65℃、压力0.18MPa左右时，适当小量开启HV-18夹套冷却水阀门和HV-19蛇管冷却水阀门，控制反应釜温度和压力的缓慢上升，避免急剧升压现象。缩合反应在95～110℃，压力0.41～0.55 MPa时进入剧烈难控阶段，培训人员需集中精力，关注HV-18阀和HV-19阀的调节，这一阶段的调节重点在于既要继续大胆升压，又要谨慎避免超压的出现。经过操作调节，将釜温控制在120℃，压力维持在0.68～0.70 MPa之间，并保持数据稳定，可有效减弱副反应的发生，使主反应充分进行，获得尽可能高的目的产物产率。

5 安全联锁系统的投入

从以上内容我们可以了解，化工安全生产体现在间歇釜反应釜的操作中，压力和温度的控制是重中之重，为了防止装置爆炸、着火、人员伤亡、中毒以及其他生产事故，必须对有危险性的生产部位、关键设备、工艺参数等关键环节设置监测系统，当生产出现异常时，迅速通过DCS集散控制系统，使装置局部调整或全部停车。

但是操作人员在生产过程中的控制常常受精力和体力的限制，不能及时作出反应；或者由于大意疏忽等，对于工艺参数的调节关注度不够，作出滞后和不可靠的操作；这都是化工安全事故发生的人为因素。为了保障化工生产装置的安全运行，将反应温度和压力等关键工艺参数直接设定在计算机监控体系中，利用计算机的稳定、高效、及时反馈的特点，设置独立于手动控制系统的安全联锁回路，在进料后，开启反应釜搅拌电机之前，必须将本操作单元的连锁控制开启。反应温度大于128℃时，相当于压力超过0.8MPa，已处于事故状态，如联锁开关处于“on”的状态，联锁起动：开高压冷却水阀，关搅拌器，关加热蒸汽阀。此时，釜内温度、压力急剧下降，搅拌器停止转动，缩合反应终止，避免危险的发生，有效的保护设备和操作人员的安全。

6 结语

综上所述，化工生产具有易燃、易爆、危险性大的特点，化工企业则发展成高度自动化、连续化和集成化的生产规模，因此化工生产过程必须在生产人员的熟练操作和严密监控下才能安全进行。化工仿真培训系统为培训人员提供了充分实践的机会，可在计算机上反复进行开车、停车训练，可以根据自己的具体情况有选择的学习，优化操作方案等。可以设定各种事故和极限运行状态进行考核，提高培训人员的分析能力和在复杂情况下的决策能力，真实的生产环境决不允许这样做。因此，高质量的化工仿真软件在模拟工厂实际生产操作的同时，还应设置更多的安全生产工艺要求，使得广大培训人员学习和掌握必要的化工过程控制知识，更加重视化工安全生产的必要性，这是现代化工生产实现安全、优质、高效、低耗的基本条件和重要保证。

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