光氣合成裝置的本質安全設計

張　鎮

(華陸工程科技有限責任公司，陜西　西安　710065)

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光氣合成裝置的本質安全設計

張鎮

(華陸工程科技有限責任公司，陜西西安710065)

光氣以其劇毒特性讓人們聞之色變，本文從光氣合成原理出發，分析了光氣及光氣生產過程中可能存在的風險。引入本質安全的理念，結合本質安全的洋蔥模型，說明了在工程設計的過程中只要遵從本質安全的工藝、儀表和安全防護三個層次，結合合理的工藝過程、高效安全的雙管板光氣合成器、智能化的儀表監控及安全聯鎖，以及安全泄放、尾氣分解等措施，就完全可以避免光氣合成過程的安全風險，實現光氣裝置的穩定、安全運行，消除人們的擔憂。

光氣合成；本質安全；光氣合成器

光氣是一種劇毒性氣體，吸入光氣會引起肺水腫、肺炎等，具有致死的危險。光氣在二戰中奧斯維辛集中營中廣泛使用，用來殺死戰俘、政治犯等[1]。同時，光氣是一種重要的化工原料，廣泛應用于農藥、染料、醫藥、精細化學品和異氰酸酯(MDI)的生產。作為異氰酸酯生產的主要原料之一，光氣的需求增長顯著[2]。國家標準明確規定，“嚴禁從外地或本地區的其他生產廠運輸光氣和異氰酸甲酯為原料進行產品生產”[3]，意味著光氣化產品生產廠必須自建光氣生產裝置，以實現自給自足。光氣本身及其生產過程存在諸如超溫、泄露、爆炸等危險，為實現光氣合成裝置在生產過程中長期、穩定運行，須將本質安全的原理應用到光氣合成裝置的工程設計中，才能從源頭上防范可能存在的風險。

1　本質安全的概念

本質安全的概念最早由英國的Kletz教授首先提出，他認為物質和過程的存在必然有不可分割的本質屬性，它是形成過程危害的根源，只有通過消除或最小化具有固有危害性質的物質或過程條件，才能從本質上消除過程的危害特質，實現過程的本質安全[4]。高聳提出將本質安全的概念應用與石油化工裝置設計中，將本質安全劃分為三個層次，設計為一種洋蔥結構，其核心層是工藝本質安全，中間層是設備儀表的本質安全，最外層是安全防護措施及管理措施[5]。本質安全是指通過設計等手段是生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故。

從專注于工程設計的生命周期和專業分工的度來講，可分別從縱向和橫向兩個方面討論本質安全。從縱向來看，本質安全可分為可行性研究階段、初步設計階段、施工圖階段和施工安裝階段[6]。從橫向的角度可將本質安全劃分為工藝本質安全、設備及儀表本質安全和安全防護本質安全三個層次，高聳提出的洋蔥結構可修正為如圖1所示。本文重點從橫向角度分析工程設計的本質安全，并將其應用于光氣合成裝置的本質安全設計中。

圖1　工程設計的本質安全理論

工藝本質安全主要是根據物料的基本物理和化學屬性，即化學品的數量、性質等，選擇合適的工藝路線、設備管道材料、動設備的備用等，預防設備損壞、人員傷害和環境破壞，從長期來看，工藝的本質安全是是最安全和最經濟有效的。儀表的本質安全是通過儀表自動化監控(DCS)和安全儀表系統聯鎖(SIS)來保護整個裝置的安全運行，保證由于客觀事故或操作失誤發生時，也能保證操作者、裝置安全而不發生事故。安全防護本質安全就是選定了原料、技術路線和產品方案后，在設計和運行階段，通過增加安全防護措施和實施有力的安全生產方案，增加裝置運行的安全性和可靠性。

2　光氣合成的基本原理

目前國內外光氣制備的方法很多，如一氧化碳和氯氣混合光照法，一氧化碳和氯氣用氯膦催化劑合成法，一氧化碳在金屬氯化物中高溫反應法，發煙硫酸和四氯化碳反應法，用鉻酸氧化脂肪族氯化物及氯甲酸三氯甲酯，草酸過氯甲酯等熱分解法等[7]。工業上廣泛應用的制造光氣方法是采用一氧化碳和氯氣為原料，在活性炭催化劑下生產光氣，常用活性炭是椰殼炭和煤基炭，反應方程式如下：

CO + Cl2=COCl2+110 kJ/mol

可以看出，光氣合成過程是體積縮小的放熱反應，低溫、高壓有利用于光氣合成的平衡。

3　光氣合成的工藝本質安全設計

由于液體光氣對安全威脅大，液體光氣貯槽存量較大，光氣中毒及死亡事故大多發生在貯存液體光氣和吸收了光氣的溶劑生產廠。從工藝本質安全的角度，最好能采用氣態光氣工藝，避免采用液體光氣工藝。

光氣合成裝置的核心設備是光氣合成器，我國的光合成器多為列管式固定床催化合成器，有代表性的有盤管釜式合成器、單管式合成器、集束管式合成器、流化床合成器、列管式合成器和列管式雙管板合成器[8]。光氣合成器內裝活性炭催化劑，屬于強放熱反應，其絕熱溫升可達550℃以上，若反應熱不及時移除，光氣會在高溫下分解，分解率達80%。如采用碳鋼設備，高溫下，氯與鐵發生反應而損壞設備。

以上不同設備的改進主要集中在反應熱的移除、以及防止光氣的泄露方面。其中列管式雙管板合成器相比其它合成器，在移熱和防止泄露方面，均具有獨特的優勢。將裝有催化劑的列管置于導熱油或“水浴”中，管內的熱量極易別移走，而且不容易形成局部熱點。同時，雙管板的特點可以防止殼體內的介質通過管板漏入管線，極大的避免的光氣與冷卻介質的接觸，在工程設計中，列管式雙管板合成器是光氣合成工藝的首選，如圖2所示。

圖2　列管式雙管板光氣合成器

從材料選擇的本質安全角度，設備、管道材料、設計參數需考慮充分的余量，以保證裝置的安全運行。光氣合成器一般采用鎳基材質，也可采用碳鋼材質，如與光氣接觸的部分采用碳鋼材質，需考慮足夠的腐蝕余量。一旦原料氣質量不合格帶水，應防止很快將設備腐蝕導致事故的發生。

作為冷卻介質的水在光氣生產過程中是潛在的風險，一旦發生泄露，光氣與水接觸，對設備發生腐蝕，如發現不及時，導致大面積泄露是及其危險的，光氣合成器失效的很多情況均由此引起[9]。所以，從工藝本質安全的較低考慮，應采用導熱油作為冷卻移熱介質更合適。

4　光氣合成儀表本質安全設計

從儀表本質安全的角度，主要通過在線儀表的實時監控，如溫度、壓力、流量等，一旦發生超出正常范圍，應及時通過儀表的自動聯鎖，使裝置可以安全停車。儀表主要監控的數據有原料氣的壓力、原料氣CO和Cl2中水含量、光氣合成器出口溫度和壓力、冷卻介質的壓力等等，以及廠房內CO濃度、Cl2濃度和光氣濃度等，一旦檢測到超出安全值，通過安全儀表系統自動聯鎖停車，以實現儀表的本質安全。

5　光氣合成的安全防護本質安全設計

國家規范[3]中，對光氣裝置的工廠選址、安全距離等均有明確規定，工廠在實際建廠時，應在國家規范的基礎上適當增加防護距離，以實現安全防護的本質安全。

在開停車、安全閥起跳需要泄放含光氣物料時，必須通過破壞處理后，方可放空。目前含光氣廢氣破壞處理主要有堿洗和催化水解法，由于催化水解法反應滿足，水解不完全。在緊急情況下，都通過堿洗法破壞光氣，光氣在10%～30%的氫氧化鈉溶液噴淋作用下，分解為氯化鈉等無機鹽。

在光氣廠房，應設有液氨噴淋和消防水幕設施，一旦廠房內發生大量泄漏，通過噴液氨降解光氣，同時，在廠房內部四周，形成消防水幕，防止光氣外漏。

從生產管理來講，應有完成的操作手冊和管理、運行程序，防止發生誤操作等人為因素導致光氣裝置的事故發生。

6　結　語

在工程設計的過程中采用本質安全的理論可以從源頭上減少化工廠的安全隱患。本文從工程設計本質安全的三個層次出發，分析了光氣生產裝置安全設計的關鍵因素，提出了采用先進的工藝、可靠的設備和儀表、完善的安全防護三個層次實現光氣裝置工程設計的本質安全，為業主提供安全、穩定、可靠的光氣合成裝置。

[1]楊慧君,丁日高.光氣中毒機理的研究進展[J].中國工業醫學雜志,1995(4):238-239.

[2]張坤鵬.MDI行業中光氣合成反應的研究概況[J].廣州化工,2010(7):63-64.

[3]GB 19041-2003.光氣及光氣化產品生產安全規程[S].

[4]葛春濤.化工過程本質安全原理及應用的研究進展[J].化工技術與開發,2014(10):26-10.

[5]高聳.石油化工裝置本質安全設計[J].石油化工安全環保技術,2012(4):1-3.

[6]孫德勝,柏進.淺析石油化工裝置本質安全設計[J].東方企業文化·企業管理,2013(5):79.

[7]張建宇,雷糧林,汪影,涂小妹,高洪建.光氣生產技術及光氣化產品開發進展[J].農藥,2004(6):245-248.

[8]高洪建,毛林生,涂小妹.光氣合成器的發展及型式簡析[J].農藥,2003(10):24-26.

[9]劉軍彪,裴粉霞.光氣合成系統運行中存在的問題及改造措施[J].煤化工,2008(8):47-48.

Inherent Safety Design of Phosgene Synthesis Unit

ZHANG Zhen

(Hualu Engineering & Technology Co.,Ltd.,Shaanxi Xi’an 710065,China)

The phosgene with highly toxic property makes people hate and fear.In phosgene synthesis units,there are lots of potential dangerous,the best methods to avoid these hazard is to adopt inherent safety design principle during engineering phase.There are three level of inherent safety with process safety,instrument safety and safety protection as Onion Model.Using reasonable process flow sheet,safety and high effective double tube plates reactor,intelligentized instrument and safety interlocking,safety bleeding and tail gas decompose,etc.,potential risk will be minimized.

phosgene synthesis; inherent safety; phosgene synthesis reactor

張鎮(1982-)，男，碩士，主要從事化工工藝方面的設計及技術開發。

TQ021.8

A

1001-9677(2016)06-0222-02