光氣化裝置安全設計及光氣防護措施

王文波(萬華化學(福建)有限公司，福建 福州 350311)

1 光氣化裝置安全設計

1.1 8層次保護

典型化工裝置的獨立保護層呈“洋蔥”形分布，從內到外設計為：安全設計、基本過程控制系統(BPCS)、人員干預及關鍵報警、主動型物理防護、被動型物理防護、工廠應急響應系統、社區應急響應系統。

1.2 本質安全設計

通過采用最小化、替代、緩和、簡化的四種策略消除風險。

選擇合適的工藝路線(最小化、替代、緩和、簡化)[1]，例如：

(1)遵循裝置設備及管線最小和最短化原則，簡化工藝流程，設備布局緊湊，減小管道長度，降低光氣存量；

(2)選擇合適的制備方法，采用CO和Cl2在活性炭催化下進行反應，且入口催化劑稀釋，減緩反應速率；

(3)CO和Cl2反應過程，投入CO量比Cl2量多7%～10%，保證Cl2能完全反應；

(4)光氣合成塔采用列管式固定床反應器，用水或者導熱油將反應熱移除，防止局部高溫；

(5)光氣合成塔殼側冷媒增加pH在線檢測計，定期取樣分析；

(6)增加光氣合成保護塔，監測Cl2反應效果，防止Cl2過量，光氣合成出口管線增加蒸汽伴熱，防止光氣液化；

(7)選擇合適的溶劑(比如氯苯、鄰二氯苯)吸收、稀釋光氣，光氣化反應選用氯苯、鄰二氯苯作為溶劑，低壓力控制；

(8)光氣化反應低溫控制，低壓力控制，采用加入液態光氣，氣化潛熱移除冷反應產生熱量；

(9)當管線的液態光氣濃度超出20%時需要使用夾套管，對夾套內充氮氣采取正壓監測保護措施；

(10)密封連接光氣反應器的溢流管可以使用雙波紋管，同時聯系光氣分解；

(11)運用R22、冷凍水等介質冷凝排氣，盡可能降低排氣中光氣含量；

(12)反應器材質采用316 L內襯哈氏C合金或者碳鋼襯內襯哈氏C合金，提高管道材質、增加壓力等級、增加壁厚、選用榫槽面法蘭等，定期檢測壁厚；

(13)關鍵管道采用對焊，焊口采用100% X射線探傷；

(14)采用雙回路供電回路，關鍵泵備用柴油發電機機組，設置UPS電源；

(15)采用12% 的氫氧化鈉溶液吸收光氣，設計大容量儲槽足以中和系統內光氣的堿液，緊急情況下中和光氣，堿液循環泵除正常供電外還要配備柴油泵。

嚴格的設計標準(管線、設備等)[2]，例如：

(1)光氣管線選擇16Mn、316 L低溫管線材質，閥門采用進口不銹鋼無泄漏光氣閥門；(2)采用較高壓力設計余量，選用較高的管道設計等級，對于設計中存在腐蝕裕量較高的情況加以考慮；(3)使用焊制造工藝，重要焊口利用100%射線來探傷，光氣閥門入場進行嚴格的氨滲測試；(4)工藝配管盡量采用重力自流形式，以減少泵的數量，采用無泄漏屏蔽泵，對反應器攪拌采雙端面機械密封保護；(5)光氣管線的法蘭密封面使用榫槽面密封這一形式，需要盡可能的將法蘭數量減少，布置光氣管線，同時分開具有危險性以及腐蝕性的管線；(6)裝置一般使用雙回路的供電系統，同時需要配備緊急柴油發電機組，在安全報警、DCS、照明、信號等系統上配備UPS連續供電系統；(7)對于用電機械和儀表系統采取等級較高的靜電防護及防爆設計；(8)對于重要回路以及控制而言，需采用不同測量原理的的儀表，采用DCS及ESD系統，連鎖控制越限報警以及安全問題，當電源、氣體存在故障時應該保證氣開或者是氣關切斷閥處于安全位置。

2 光氣防護措施

2.1 基本過程控制(BPCS)

基本過程控制系統(BPCS)是對日常生產過程進行不間斷監測與控制的系統，輸出信號產生需經過響應過程以及操作人員的信號輸入，從而能夠使過程達到期望的運行方式。其主要組成有邏輯控制器、傳感器以及最終執行元件。BPCS能夠在一定程度上發揮出安全保護作用，一般在安全儀表系統(SIS)前做出反應。

例如：

(1)CO和Cl2的串級控制等；

(2)日常溫度、壓力、液位、流量的自動控制程序；

(3)光氣合成系統的壓力控制；

(4)光氣吸收塔日常低液位控制。

2.2 關鍵報警及人員干預

操作人員在系統常規檢查、報警響應后避免不良后果出現的行動為報警與響應。

光化裝置設置了溫度、液位、流量等一級、二級報警機制，提醒操作人員及時對報警信息進行干預。

例如：

(1)光氣合成塔的出口溫度報警，光氣合成塔冷媒流量、溫度等報警，光氣冷凝器下液溫度報警，熱反應器溫度報警等；

(2)換熱器殼側增加pH計和檢測電導率的儀表；

(3)裝置各種開停車SOP，緊急處理SOP等。

2.3 安全儀表系統(SIS)

該系統指的是工廠控制系統之中的連鎖和報警部分，對于控制系統檢測的結果進行停機控制或者是報警動作與調節。當基本過程控制系統(BPCS或DCS)不能維持裝置生產在可接受的狀態時，安全儀表系統能夠使裝置回到安全狀態下；安全儀表功能基于儀表檢測的超限條件，對過程加以控制進入功能安全狀態。安全儀表的主要組成部分有邏輯控制器、傳感器以及最終執行元件。

光化裝置設置了各種聯鎖，以應對各種溫度、壓力、液位等異常和有可能造成泄漏的突發狀況的聯鎖按鈕，保證系統能及時有效地回歸安全狀態。并且定期檢測聯鎖系統,確保正常運行。

例如：

(1)光氣合成緊急停車系統，光氣化反應緊急停車系統；

(2)光氣合成系統出口超壓排放，光氣化反應差壓排放系統；

(3)光氣合成系統聯鎖壓力選3選2系統。

2.4 主動性物理防護系統

提供差壓保護，防止容器災難性破裂，主要包括爆破片、XV泄放閥、安全閥等。

光化裝置在重要的壓力控制點，設置了超壓泄放系統，并且配備了系緊分解系統，保證光氣系統穩定。

例如：

(1)合成塔出口和冷凝系統出口設置超壓泄放XV閥；

(2)光氣吸收塔氣相入口設置差壓泄放XV閥和爆破片等密閉排放泄壓系統；

(3)光氣化反應系統設置超壓泄放XV閥和爆破片等。

2.5 被動型物理防護系統

在釋放危險物質之后，是一種將釋放后果降低的保護措施；其包括防火堤、消防、氣防系統、自動噴淋系統。

例如：

(1)裝置周圍增加圍堰，無水監測收集排放系統；

(2)消防水噴淋系統；

(3)氨水噴淋系統(濃度19%)，裝置周圍和關鍵光氣設備上方設置氨水噴淋管線；

(4)光氣設備周圍增加密閉空間卷簾門系統，設置負壓抽吸系統；

(5)現場設置光氣報警儀，人員配備光氣檢測徽章，現場設置應急空氣呼吸器和防化服；(6)中控室設置正壓通風系統，配備長管呼吸器；(7)現場監控系統。

2.6 工廠應急響應

對含光氣管線以及設備進行計劃維修時 ，需應用個人呼吸器設施保證不會吸入光氣。

工人通過光氣檢測徽章能夠立即探測到光氣吸入這一潛在危險，同時評估出人體極易吸入的光氣。

構建裝置以及公司級兩級事故的搶險預案，開展定期演習演練。現場及其附近人員需要掌握，并反復練習緊急響應計劃，對檢驗應急響應準備做好指引與指導工作。

洗眼器等安全淋浴裝置能夠將飛濺在個人皮膚與衣服上的液體光氣以及含有光氣溶液快速去除。

廠內需要設置接受藥物治療設施以及場所，比如設置氣防車以及氣防站，同時保證其能夠24小時待命。

常備專業醫護人員聯系方法，保證在緊急狀態下能夠采取有效措施加以應對。

2.7 社區應急響應

針對光氣泄漏，制定I級響應級別的處置方案，防止事故擴大至工廠外圍，保障周圍民眾的生命財產安全，并定期組織人員進行預案演習；在園區的要定期組織園區及光氣泄漏源演練，定期組織撤離應急預案演練。

3 結語

隨著光氣生產技術的不斷發展，各類應急措施以及安全防護措施越來越完善，在光氣化產品快速發展的條件下，光氣因為具有特殊化學活性，在化工領域占據重要位置。

針對這一情況，需要從根本上確保生產、使用、儲存光氣的安全。首先應該減緩光氣反應、提升設備材質、采用低溫低壓工藝等；其次，可以從增加系統監控、設置系統聯鎖保護、增加人為干預措施等保證安全，降低事故發生的概率；最后，為了減輕事故發生的后果，盡可能完善光氣泄漏處置設施和人員防護用品，保證財產和生命安全。