某化工企業(yè)聚合工藝的安全控制改造

金丹霞

（上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海201108）

化工行業(yè)因其工藝、物料的特殊性，存在火災(zāi)爆炸、有毒有害、腐蝕等多種危險(xiǎn)因素，故應(yīng)投入采取更嚴(yán)格及更先進(jìn)的安全控制措施。近些年，自動(dòng)化的安全控制措施，在化工行業(yè)的運(yùn)用范圍也越來(lái)越廣。在工藝設(shè)計(jì)上達(dá)到本質(zhì)安全是理想狀態(tài)，很難達(dá)到，但后續(xù)為工藝系統(tǒng)配置一定的報(bào)警系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)，甚至獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)，都能有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，面對(duì)突然故障時(shí)，操作人員可及時(shí)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)作出分析調(diào)整、反饋及處理，預(yù)防事故發(fā)生。

1 項(xiàng)目背景

某企業(yè)主要從事熱致性液晶高分子材料，在該產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生副產(chǎn)品-- 乙酸【含量＞80%】，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)范疇。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程包括漿液配置、乙?；磻?yīng)、預(yù)聚、終聚4 個(gè)步驟。具體工藝流程如下圖1 所示：

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

漿液配置：按工藝配方，將固體原料通過(guò)固體料倉(cāng)加至打漿釜，液體原料由輸送泵輸送到計(jì)量罐，通過(guò)計(jì)量罐計(jì)量后加入打漿釜，進(jìn)行常溫常壓下的漿液配置。?；号渲酶械奈锪贤ㄟ^(guò)位差轉(zhuǎn)移至乙酰化釜中進(jìn)行乙?；磻?yīng)，該反應(yīng)為一定溫度下的常壓反應(yīng)（通過(guò)副產(chǎn)乙酸量確定反應(yīng)終點(diǎn)）。預(yù)聚：乙酰化完成后的?；镉玫?dú)鈮旱筋A(yù)聚釜進(jìn)行預(yù)聚合反應(yīng)，為一定溫度下的常壓操作（通過(guò)副產(chǎn)品乙酸量確定反應(yīng)終點(diǎn)）。?；邦A(yù)聚過(guò)程皆通過(guò)副產(chǎn)品乙酸的量來(lái)確定反應(yīng)終點(diǎn)，采用反應(yīng)釜內(nèi)盤(pán)管和夾層導(dǎo)熱油循環(huán)加熱，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物乙酸經(jīng)分餾冷凝后至乙酸接受罐。終聚：預(yù)聚合完成后的物料用氮?dú)鈮旱浇K聚釜，攪拌進(jìn)行終聚合反應(yīng)。反應(yīng)為一定溫度，先常壓操作，反應(yīng)時(shí)間3.5h，然后用蒸氣噴射泵抽真空至一定壓力，通過(guò)副產(chǎn)乙酸量、溫度等確定反應(yīng)終點(diǎn)，采用反應(yīng)釜夾層聯(lián)苯- 聯(lián)苯醚導(dǎo)熱油循環(huán)加熱，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物乙酸一部分經(jīng)分離冷凝器后至乙酸接受罐，另一部分（極少）經(jīng)真空系統(tǒng)排出。

2 危險(xiǎn)性分析及其安全控制要求

2.1 工藝過(guò)程的危險(xiǎn)性分析

該生產(chǎn)工藝過(guò)程中存在的主要危險(xiǎn)性如下：

2.1.1 反應(yīng)過(guò)程涉及易燃易爆物料，在生產(chǎn)過(guò)程中一旦發(fā)生物料泄漏，遇明火等點(diǎn)火源可引起火災(zāi)；其蒸汽密度比空氣大，能在低處擴(kuò)散到較遠(yuǎn)的地方，遇明火會(huì)引著回燃，且蒸氣向周?chē)鷶U(kuò)散，和空氣混合形成爆炸性混合氣體，再遇明火等點(diǎn)火源可引起火災(zāi)爆炸事故。

2.1.2 聚合反應(yīng)是一個(gè)放熱的過(guò)程，如果熱量不及時(shí)導(dǎo)出，會(huì)發(fā)生“暴聚”現(xiàn)象，從而使得反應(yīng)失去控制，引發(fā)爆炸事故。

2.1.3 聚合物分子量高，黏度比較大，反應(yīng)熱還不容易導(dǎo)出，若停水、停電、攪拌故障等突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，易產(chǎn)生掛壁和堵塞，從而形成局部過(guò)熱或反應(yīng)釜飛溫，發(fā)生爆炸。

2.1.4 聚合反應(yīng)結(jié)束，設(shè)備內(nèi)除聚合體外，可能還存在未反應(yīng)完的單體、溶劑等易燃易爆物，若處理不當(dāng)，會(huì)引發(fā)危害。

2.1.5 雖然乙?；磻?yīng)不屬于危險(xiǎn)化工工藝。但是反應(yīng)過(guò)程中涉及溫度、壓力、物料加入量等不確定因素，如果沒(méi)有有效的控制，由于物料添加錯(cuò)誤、壓力溫度的速控制過(guò)高等原因，可能引起反應(yīng)加劇反應(yīng)釜溫度壓力升高，造成容器爆炸事故。

2.1.6 本項(xiàng)目使用導(dǎo)熱油作為熱媒介質(zhì)，導(dǎo)熱油管道或設(shè)備發(fā)生泄漏后會(huì)流淌，遇點(diǎn)火源會(huì)引發(fā)火災(zāi)事故。導(dǎo)熱油的質(zhì)量不符合要求，可能會(huì)發(fā)生導(dǎo)熱油管道堵塞引起火災(zāi)事故。

2.2 聚合工藝的安全控制要求

根據(jù)安監(jiān)總管三【2009】116 號(hào)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》中對(duì)于聚合工藝提出的安全控制如下：

2.2.1 針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的重點(diǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，包括反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力、攪拌速率、料倉(cāng)靜電、可燃?xì)怏w的監(jiān)控，若涉及引發(fā)劑或冷卻水，則需要對(duì)其流量也進(jìn)行監(jiān)控。

2.2.2 在安全控制方面需要考慮：是否設(shè)有反應(yīng)釜溫度和壓力的報(bào)警和聯(lián)鎖、可燃和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警裝置、攪拌的穩(wěn)定控制及聯(lián)鎖、工藝系統(tǒng)是否設(shè)置緊急冷卻系統(tǒng)、是否設(shè)料倉(cāng)靜電消除、可燃?xì)怏w置換系統(tǒng)、是否設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)或緊急加入反應(yīng)終止劑系統(tǒng)等；若為高壓聚合反應(yīng)釜?jiǎng)t應(yīng)設(shè)防爆墻和泄爆面。

2.2.3 建議宜采用的控制方式包括將聚合反應(yīng)釜的溫度、壓力與釜內(nèi)攪拌電流、聚合單體流量、引發(fā)劑加入量、聚合反應(yīng)釜夾套冷卻水進(jìn)水閥形成聯(lián)鎖關(guān)系；當(dāng)反應(yīng)超溫、攪拌或冷卻失效時(shí)，能緊急加入終止劑；設(shè)緊急停車(chē)系統(tǒng)；設(shè)安全泄放系統(tǒng)。

3 安全控制現(xiàn)狀分析

企業(yè)涉及的聚合工藝屬于有一定溫度的常壓反應(yīng)。生產(chǎn)過(guò)程采用DCS 控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝要求，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，但未設(shè)置聯(lián)鎖切斷。攪拌由變頻器控制，系統(tǒng)有氮?dú)獗Ｗo(hù)，不涉及引發(fā)劑，配有冷卻水系統(tǒng)。主要原料儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐中，通過(guò)管道輸送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料。原料儲(chǔ)罐設(shè)有2 套液位計(jì)，但信號(hào)并未接入DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控及聯(lián)鎖，且儲(chǔ)罐進(jìn)料管道處未設(shè)緊急切斷閥?，F(xiàn)場(chǎng)有可燃?xì)怏w報(bào)警探頭，并配有聲光報(bào)警，但信號(hào)未接入DCS系統(tǒng)中。

4 安全控制優(yōu)化改造

比對(duì)安監(jiān)總管三〔2009〕116 號(hào)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》中聚合反應(yīng)的安全控制要求以及該企業(yè)現(xiàn)有的狀態(tài)，對(duì)該聚合工藝的安全控制進(jìn)行的相應(yīng)的優(yōu)化改造。

4.1 安全控制方案優(yōu)化

首先應(yīng)將重點(diǎn)監(jiān)控的工藝參數(shù)如反應(yīng)釜溫度、壓力、儲(chǔ)罐的液位等信號(hào)接入DCS 系統(tǒng)，且形成安全聯(lián)鎖及緊急切斷的功能。由于該反應(yīng)過(guò)程為常壓，故選擇溫度作為第一層次安全聯(lián)鎖、緊急切斷的工藝參數(shù)，同時(shí)考慮到聚合反應(yīng)本身就是放熱過(guò)程，僅僅控制溫度，可能達(dá)不到最終切斷的效果，故在對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控、聯(lián)鎖切斷的基礎(chǔ)上，應(yīng)再設(shè)一個(gè)層次的自動(dòng)化安全聯(lián)鎖，對(duì)聚合反應(yīng)能進(jìn)行最終的緊急切斷。而可供選擇的緊急切斷方式也有多種：如增設(shè)安全泄放系統(tǒng)、加入反應(yīng)終止劑、增設(shè)緊急停車(chē)系統(tǒng)等?？紤]到改造的易操作性，最終選用加入反應(yīng)終止劑作為該工藝的緊急切斷措施。

4.2 安全控制改造

a.聚合反應(yīng)過(guò)程的自動(dòng)化安全聯(lián)鎖改造。選擇溫度作為第一層次緊急聯(lián)鎖切斷的工藝參數(shù)，設(shè)定多個(gè)溫度限值。若反應(yīng)釜溫度達(dá)到高限，系統(tǒng)設(shè)置切斷熱媒加熱開(kāi)關(guān)（反應(yīng)釜旁的緊急切斷開(kāi)關(guān)），并聯(lián)鎖切斷熱媒管路（停止導(dǎo)熱油爐運(yùn)行）；若溫度繼續(xù)上升且超過(guò)設(shè)定溫度高限，則聯(lián)鎖氣動(dòng)閥加入終止劑。在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，選擇增設(shè)終止劑系統(tǒng)作為工藝最終的緊急切斷措施。在原有反應(yīng)釜的預(yù)留手動(dòng)閥上部加裝氣動(dòng)控制閥門(mén)，將其與反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度聯(lián)鎖，上方連接料斗并接入氮?dú)夤艿馈Ｔ诰o急情況下，料斗中盛放終止劑且料斗連有氮?dú)猓?dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫超過(guò)限定值即打開(kāi)該氣動(dòng)閥，氮?dú)饧磳⒔K止劑壓入反應(yīng)釜。同時(shí)聯(lián)鎖原有的冷卻水系統(tǒng)，進(jìn)行緊急切斷。

b. 原料儲(chǔ)罐的自動(dòng)化安全聯(lián)鎖改造針對(duì)其原料罐的自動(dòng)控制也做了進(jìn)一步的改造，將原有壓力式液位計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳接入DCS 系統(tǒng)，并在儲(chǔ)罐進(jìn)料管道處增設(shè)緊急切斷閥。在系統(tǒng)中設(shè)置相關(guān)聯(lián)鎖，使得在緊急狀態(tài)下，儲(chǔ)罐高液位報(bào)警能聯(lián)鎖切斷進(jìn)料管道切斷閥；低液位報(bào)警能聯(lián)鎖停止出料泵。

c. 其他部分的安全控制改造。將可燃?xì)怏w報(bào)警監(jiān)控傳輸進(jìn)入DCS 監(jiān)控系統(tǒng)，使得中控室也有報(bào)警信號(hào)，更利于提醒操作人員。將所有信息提供接入U(xiǎn)PS，使得在停電情況下，DCS 控制系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備能正常供電。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)本次安全控制方案優(yōu)化改造后，該企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提升。緊急情況下，生產(chǎn)可以做到自動(dòng)的安全聯(lián)鎖切斷。減少人為失誤，更是有效降低生產(chǎn)危險(xiǎn)性，減少事故發(fā)生，提高生產(chǎn)的本質(zhì)安全。