銀法甲醇氧化制甲醛自動控制改造方案及安全性分析

陳德波(江蘇中安科技服務有限公司)

銀法甲醇氧化制甲醛自動控制改造方案及安全性分析

陳德波(江蘇中安科技服務有限公司)

本文簡述了早期銀法甲醛裝置氧化工藝的自動控制方法，對其存在的危險有害因素進行分析，根據實踐總結了較為經濟合理的自動控制改造方案，對改造后系統的火災爆炸危險指數進行了定量計算。

甲醇;甲醛;氧化;自動控制;安全性

1 甲醇氧化工藝介紹

甲醛生產關鍵工序氧化過程是甲醇蒸汽、空氣和水蒸汽三元氣體混合后，在氧化器中經催化發生甲醇氧化和脫氫反應，一般反應溫度580～690℃，反應式如下：

原甲醛生產裝置在氧化器的設計上采用正路管道進氣，手動蝶閥控制物料流量。在開車前一階段，一定量空氣和甲醇混合氣體經旁路將冷卻液體吹入吸收塔，待達到一定過熱溫度和蒸發溫度，操作人員到現場打開氧化器正路進氣閥門關閉旁路排空閥，進行氧化器內氣體置換并調節一定量的氧醇比，控制好物料流量進行點火升溫，達到一定反應溫度后提高原料流量至工藝要求范圍，進入正常的氧化反應狀態。在這一過程中，反應溫度的控制不僅關系產品的質量，更關系到生產的安全性。

2 原有控制方案介紹

早期甲醛裝置控制系統基本采用電動指示調節儀、電氣轉換器和氣動調節閥構成回路，通過控制甲醇、空氣、水蒸氣比例來控制氧化反應溫度。這種控制方式未將氧化反應溫度接入控制系統回路，而是通過操作人員觀察氧化溫度變化情況，判斷是否需要調整原料配比。

3 危險有害因素分析

甲醇氧化工藝涉及易燃易爆物質和高溫反應(580～690℃)，主要危險有害因素包括火災爆炸、中毒窒息、灼燙事故。

(1)在開車點火升溫階段，操作人員需經常到氧化器現場調節閥門，未能實現遠程控制，人員處于火災爆炸危險環境中頻率過高，同時可能發生人員灼燙傷事故。

(2)遇到停電、鼓風機故障、變頻器等電氣故障，需緊急到現場切換閥門，尤其夜間生產時存在多種事故隱患。如不能迅速切換氧化器閥門，不僅不利于催化劑床層的保護，更易發生系統回火爆炸事故。

(3)設備故障或操作失誤，造成氧化溫度迅速上升，操作人員一時無法正確采取處理措施，系統不能緊急停車，不能及時切斷氧化器進料，此種情況極易造成催化劑熔化和發生火災爆炸事故。

4 火災爆炸危險指數定量分析

4.1 分析方法選擇

采用《火災、爆炸危險指數法》(第七版)進行裝置分析，危險性等級劃分見表1。

表1 危險性等級

4.2 分析對象和物質系數

選取50000T/A甲醛裝置氧化器(直徑1800mm，空間容積約4m3)進行火災爆炸危險指數分析。

物質系數MF由美國防火協會(NFPA)確定的物質可燃性Nf和化學活潑性Nr求得。甲醇數據見表2。

表2 甲醇物質系數表

4.3 工藝危險系數F3及火災、爆炸指數F&EI

工藝裝置危險系數求取及火災爆炸指數計算見表3。

表3 氧化器危險系數取值分析

4.4 小結

根據危險系數取值及火災爆炸指數計算，發現系統的暴露區域半徑和暴露區域面積均較大，火災爆炸危險等級很大。

5 改造措施

根據《首批重點監管的危險化工工藝安全控制要求、重點監控參數及推薦的控制方案》要求，在原控制系統接入氧化溫度，能夠實現緊急停車、緊急斷料、遠程控制。

(1)氧化器正路、旁路手動閥門更換為氣動調節閥，安裝電氣轉換裝置和調節裝置。

(2)控制甲醇蒸發量。設定氧化溫度690℃，氧化溫度信號傳至智能調節儀(帶開關量的智能儀表即可實現，如PN-3000智能PID調節器)，通過繼電器斷開蒸溫控制點電動調節儀電源信號，現場氣動薄膜調節閥打開，升高蒸溫，增加甲醇蒸發量，降低氧醇比，降低氧溫。氧溫低于690℃后，恢復正常控制。

(3)控制配料蒸汽。如上步操作氧化溫度沒有降至安全范圍，并繼續上升，可設定氧化溫度達到700℃，斷開配料蒸汽控制點電動調節儀電源信號，現場氣動薄膜調節閥打開，增加配料蒸汽，提高水醇比，降低氧溫。氧溫低于700℃后，電源接通恢復正常控制。

(4)緊急停車。如上述兩種方案均沒有控制氧化溫度下降，設定氧化溫度達到720℃，斷開控制鼓風機變頻器開關電源，停止鼓風機運行，同時打開旁通閥門，關閉氧化器進料閥門，系統停車。

如遇停電或變頻器故障停機均可實現緊急停車。

6 安全補償系數計算

補充緊急停車和溫度聯鎖，可以降低裝置危險性，結合裝置原采取安全措施進行安全補償計算。

根據道化學公司《火災、爆炸危險指數評價法》，對裝置安全措施選取補償系數C1、C2、C3，并按公式C= C1×C2×C3求出裝置補償系數，見表4。

表4 裝置安全措施補償系數計算

d．聯鎖裝置 0．98 0．98物質隔離安全補償系數C2值 0．96 3．防火設施安全補償系數 補償系數范圍 補償系數a．泄漏檢測裝置 0．94～0．98 0．98 b．結構鋼 0．95～0．98 c．消防水供應系統 0．94～0．97 0．97 d．特殊滅火系統 0．91 e．灑水滅火系統 0．74～0．97 f．水幕 0．97～0．98 g．泡沫滅火裝置 0．92～0．97 h．手提式滅火器材/噴水槍 0．93～0．98 0．88 i．電纜防護 0．94～0．98 0．94防火設施安全補償系數C3值 0．79安全措施總補償系數C= C1×C2×C3 0．67補償火災、爆炸危險指數(F&EI)＇= F&EI×C 85．49補償后危害系數 0．51暴露區域半徑(米) 21．89暴露區域面積(平方米) 1505．23補償火災、爆炸危險等級 較輕

7 火災爆炸危險指數分析結果

甲醇氧化器火災爆炸危險指數分析匯總見表5。

表5 火災爆炸危險分析匯總表

通過上述分析，氧化器火災爆炸危險等級為很大，在采取了安全補償措施后，其火災爆炸危險指數降低到了較輕的等級。

8 結論

通過對裝置原自動控制系統的評估，采用上述較為經濟合理的改造方案，可實現超溫或停電緊急停車、氧化反應器緊急自動斷料、氧化反應器進料閥門遠程控制，可以較大程度減低系統的危險程度。輔以其他安全措施及管理手段，能夠有效的減少、預防氧化反應工段出現火災爆炸、人員中毒窒息等安全事故。