某化工企業聚合工藝的安全控制改造

金丹霞

（上海建科檢驗有限公司，上海201108）

化工行業因其工藝、物料的特殊性，存在火災爆炸、有毒有害、腐蝕等多種危險因素，故應投入采取更嚴格及更先進的安全控制措施。近些年，自動化的安全控制措施，在化工行業的運用范圍也越來越廣。在工藝設計上達到本質安全是理想狀態，很難達到，但后續為工藝系統配置一定的報警系統、工藝控制系統，甚至獨立的安全儀表系統，都能有效實時監測生產過程中的關鍵參數，面對突然故障時，操作人員可及時采集數據，根據系統數據作出分析調整、反饋及處理，預防事故發生。

1 項目背景

某企業主要從事熱致性液晶高分子材料，在該產品生產過程中產生副產品-- 乙酸【含量＞80%】，屬于危險化學品生產范疇。整個生產過程包括漿液配置、乙酰化反應、預聚、終聚4 個步驟。具體工藝流程如下圖1 所示：

圖1 生產工藝流程圖

漿液配置：按工藝配方，將固體原料通過固體料倉加至打漿釜，液體原料由輸送泵輸送到計量罐，通過計量罐計量后加入打漿釜，進行常溫常壓下的漿液配置。酰化：配置釜中的物料通過位差轉移至乙酰化釜中進行乙酰化反應，該反應為一定溫度下的常壓反應（通過副產乙酸量確定反應終點）。預聚：乙酰化完成后的酰化物用氮氣壓到預聚釜進行預聚合反應，為一定溫度下的常壓操作（通過副產品乙酸量確定反應終點）。酰化及預聚過程皆通過副產品乙酸的量來確定反應終點，采用反應釜內盤管和夾層導熱油循環加熱，反應生成的副產物乙酸經分餾冷凝后至乙酸接受罐。終聚：預聚合完成后的物料用氮氣壓到終聚釜，攪拌進行終聚合反應。反應為一定溫度，先常壓操作，反應時間3.5h，然后用蒸氣噴射泵抽真空至一定壓力，通過副產乙酸量、溫度等確定反應終點，采用反應釜夾層聯苯- 聯苯醚導熱油循環加熱，反應生成的副產物乙酸一部分經分離冷凝器后至乙酸接受罐，另一部分（極少）經真空系統排出。

2 危險性分析及其安全控制要求

2.1 工藝過程的危險性分析

該生產工藝過程中存在的主要危險性如下：

2.1.1 反應過程涉及易燃易爆物料，在生產過程中一旦發生物料泄漏，遇明火等點火源可引起火災；其蒸汽密度比空氣大，能在低處擴散到較遠的地方，遇明火會引著回燃，且蒸氣向周圍擴散，和空氣混合形成爆炸性混合氣體，再遇明火等點火源可引起火災爆炸事故。

2.1.2 聚合反應是一個放熱的過程，如果熱量不及時導出，會發生“暴聚”現象，從而使得反應失去控制，引發爆炸事故。

2.1.3 聚合物分子量高，黏度比較大，反應熱還不容易導出，若停水、停電、攪拌故障等突發情況發生時，易產生掛壁和堵塞，從而形成局部過熱或反應釜飛溫，發生爆炸。

2.1.4 聚合反應結束，設備內除聚合體外，可能還存在未反應完的單體、溶劑等易燃易爆物，若處理不當，會引發危害。

2.1.5 雖然乙酰化反應不屬于危險化工工藝。但是反應過程中涉及溫度、壓力、物料加入量等不確定因素，如果沒有有效的控制，由于物料添加錯誤、壓力溫度的速控制過高等原因，可能引起反應加劇反應釜溫度壓力升高，造成容器爆炸事故。

2.1.6 本項目使用導熱油作為熱媒介質，導熱油管道或設備發生泄漏后會流淌，遇點火源會引發火災事故。導熱油的質量不符合要求，可能會發生導熱油管道堵塞引起火災事故。

2.2 聚合工藝的安全控制要求

根據安監總管三【2009】116 號《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》中對于聚合工藝提出的安全控制如下：

2.2.1 針對生產過程中的重點工藝參數進行監控，包括反應釜內溫度、壓力、攪拌速率、料倉靜電、可燃氣體的監控，若涉及引發劑或冷卻水，則需要對其流量也進行監控。

2.2.2 在安全控制方面需要考慮：是否設有反應釜溫度和壓力的報警和聯鎖、可燃和有毒氣體檢測報警裝置、攪拌的穩定控制及聯鎖、工藝系統是否設置緊急冷卻系統、是否設料倉靜電消除、可燃氣體置換系統、是否設置緊急切斷系統或緊急加入反應終止劑系統等；若為高壓聚合反應釜則應設防爆墻和泄爆面。

2.2.3 建議宜采用的控制方式包括將聚合反應釜的溫度、壓力與釜內攪拌電流、聚合單體流量、引發劑加入量、聚合反應釜夾套冷卻水進水閥形成聯鎖關系；當反應超溫、攪拌或冷卻失效時，能緊急加入終止劑；設緊急停車系統；設安全泄放系統。

3 安全控制現狀分析

企業涉及的聚合工藝屬于有一定溫度的常壓反應。生產過程采用DCS 控制系統，根據工藝要求，對生產過程中的溫度、壓力等參數進行監控報警，但未設置聯鎖切斷。攪拌由變頻器控制，系統有氮氣保護，不涉及引發劑，配有冷卻水系統。主要原料儲存于儲罐中，通過管道輸送，實現自動加料。原料儲罐設有2 套液位計，但信號并未接入DCS系統進行監控及聯鎖，且儲罐進料管道處未設緊急切斷閥。現場有可燃氣體報警探頭，并配有聲光報警，但信號未接入DCS系統中。

4 安全控制優化改造

比對安監總管三〔2009〕116 號《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》中聚合反應的安全控制要求以及該企業現有的狀態，對該聚合工藝的安全控制進行的相應的優化改造。

4.1 安全控制方案優化

首先應將重點監控的工藝參數如反應釜溫度、壓力、儲罐的液位等信號接入DCS 系統，且形成安全聯鎖及緊急切斷的功能。由于該反應過程為常壓，故選擇溫度作為第一層次安全聯鎖、緊急切斷的工藝參數，同時考慮到聚合反應本身就是放熱過程，僅僅控制溫度，可能達不到最終切斷的效果，故在對溫度進行監控、聯鎖切斷的基礎上，應再設一個層次的自動化安全聯鎖，對聚合反應能進行最終的緊急切斷。而可供選擇的緊急切斷方式也有多種：如增設安全泄放系統、加入反應終止劑、增設緊急停車系統等。考慮到改造的易操作性，最終選用加入反應終止劑作為該工藝的緊急切斷措施。

4.2 安全控制改造

a.聚合反應過程的自動化安全聯鎖改造。選擇溫度作為第一層次緊急聯鎖切斷的工藝參數，設定多個溫度限值。若反應釜溫度達到高限，系統設置切斷熱媒加熱開關（反應釜旁的緊急切斷開關），并聯鎖切斷熱媒管路（停止導熱油爐運行）；若溫度繼續上升且超過設定溫度高限，則聯鎖氣動閥加入終止劑。在原有設備基礎上，選擇增設終止劑系統作為工藝最終的緊急切斷措施。在原有反應釜的預留手動閥上部加裝氣動控制閥門，將其與反應釜內物料溫度聯鎖，上方連接料斗并接入氮氣管道。在緊急情況下，料斗中盛放終止劑且料斗連有氮氣，當反應釜內溫超過限定值即打開該氣動閥，氮氣即將終止劑壓入反應釜。同時聯鎖原有的冷卻水系統，進行緊急切斷。

b. 原料儲罐的自動化安全聯鎖改造針對其原料罐的自動控制也做了進一步的改造，將原有壓力式液位計信號遠傳接入DCS 系統，并在儲罐進料管道處增設緊急切斷閥。在系統中設置相關聯鎖，使得在緊急狀態下，儲罐高液位報警能聯鎖切斷進料管道切斷閥；低液位報警能聯鎖停止出料泵。

c. 其他部分的安全控制改造。將可燃氣體報警監控傳輸進入DCS 監控系統，使得中控室也有報警信號，更利于提醒操作人員。將所有信息提供接入UPS，使得在停電情況下，DCS 控制系統及相關設備能正常供電。

5 結論

經過本次安全控制方案優化改造后，該企業生產過程的自動化程度進一步提升。緊急情況下，生產可以做到自動的安全聯鎖切斷。減少人為失誤，更是有效降低生產危險性，減少事故發生，提高生產的本質安全。