乙炔清凈次鈉多級配制系統安全升級改造分析

梁愛華

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山063305）

唐山三友氯堿有限責任公司（以下簡稱“氯堿公司”）現有燒堿產能53萬t/a，PVC產能43.5萬t/a、專用樹脂產能7萬t/a。氯堿公司現采用電石法制備乙炔氣工藝，該工藝在行業中應用廣泛，技術成熟可靠，但根據十幾年的運行經驗和效果分析，依然存在影響安全生產和經濟運行的不利因素。近年來，氯堿行業各層次技術管理人員致力于探究乙炔氣工藝系統的節能、安全、環保方面設備升級和技術改造，不斷提升乙炔氣生產的安全等級和經濟效益，為氯堿行業的綠色安全可持續發展提供有力支撐。

1 背景分析

現有氯乙烯制備工藝系統中，乙炔氣與燒堿系統產生的氯化氫在含汞觸媒的轉化器中轉化為氯乙烯。其中，乙炔氣是通過原料電石在發生器中遇水產生的，同時，發生器產生的粗乙炔氣中夾雜硫化氫和磷化氫，此類雜質氣體一方面會使含汞觸媒中毒，產生不可逆的吸附，破壞其活化性能，大大降低氯乙烯的轉化效率，不利于生產系統的經濟運行；另一方面，磷化氫（特別是P2H4）自燃點低，夾雜在乙炔氣中易造成安全事故，不利于生產系統的安全運行。故粗乙炔氣需要通過清凈系統，利用次氯酸鈉的強氧化性，對雜質氣硫化氫、磷化氫進行氧化反應，生成高價態酸根的形式，進而從粗乙炔氣中徹底除去。

乙炔清凈工序的次氯酸鈉配制濃度會直接影響清凈效果及安全性能，通常用有效氯來表征次氯酸鈉的配制指標，有效氯應控制在0.085%～0.120%，pH值在7.0～8.0。有效氯含量若超0.150%，則會釋放游離氯，與乙炔接觸反應劇烈引起爆炸，直接危害生產安全運行。近年，為了解決廢次氯酸鈉水回收乙炔氣并回用廢水問題，氯堿公司對乙炔清凈次氯酸鈉的配制系統進行了優化和改造，參照行業做法，通過回收廢次氯酸鈉中的乙炔氣，并進一步處理后將大部分（85%）廢次鈉水安全回用于次氯酸鈉配制，即由原來的濃次氯酸鈉與水直接混合的一級配制，改造為濃次氯酸鈉與水配成1%，再由1%稀釋次鈉與脫除乙炔后的廢次鈉混合而成的多級配制，降低了原料電石消耗，同時節約了用水成本。下面將從工藝安全角度進行闡述，分析乙炔清凈次氯酸鈉多級配制工藝的安全性能，探索出進一步提高裝置安全穩定運行的可靠措施，并進行改造。

2 次鈉多級配制工藝流程及系統分析

2.1 一級配制流程

次鈉配置水罐中的生產水由提升泵經雙流量計和調節閥送至一級文丘里反應器的注水口，同時濃次氯酸鈉在儲罐中由濃次鈉泵經雙流量計和調節閥送至一級文丘里反應器的加料口，經過流量比串級控制，生產水和濃次氯酸鈉在反應器中配制成1%次氯酸鈉溶液，隨后進入1%次鈉儲槽。

2.2 二級配制流程

1%次氯酸鈉在儲槽中經提升泵經雙流量計和調節閥送至二級文丘里反應器的加料口，同時，清凈廢次鈉經負壓閃蒸除去乙炔氣后，再經冷卻系統加壓后經雙流量計和調節閥送至二級文丘里反應器的注水口，經過流量比串級控制，廢次鈉和1%濃次氯酸鈉在反應器中配制成0.085%～0.120%的稀次鈉溶液，然后自流至次鈉儲槽。次氯酸鈉多級配制流程簡圖見圖1。

圖1 次氯酸鈉多級配制流程簡圖

2.3 工藝系統分析

次氯酸鈉一級配制流程中，如2FV-1301控制回路故障，閥門全開，則會造成濃次鈉泵上料過多，直接影響二級次氯酸鈉配制的濃度。現有流程中已經設置流量計的聲光報警系統，但依然會造成進清凈系統的稀次氯酸鈉濃度超標，嚴重時，過量游離氯與乙炔氣混合有造成爆炸和人員傷亡的風險；同時，次氯酸鈉二級配制流程中，如廢次鈉2FV-1305控制回路故障，閥門誤關閉，也會使1%次鈉直接進入次鈉儲槽，清凈次鈉指標異常，造成過量游離氯與乙炔混合造成爆炸和人員傷亡風險。雖然雙流量計控制均有流量高報警，但考慮到操作人員處理不及時等不可控因素，安全和不穩定風險依然不可消除。所以，對乙炔清凈次氯酸鈉多級配制的工藝流程及控制進行合理的分析和優化迫在眉睫。

3 工藝流程及控制系統優化

為消除乙炔清凈次氯酸鈉多級配制的工藝流程及控制中的風險因素，氯堿公司技術團隊協同資質單位，通過危險與可操作性及保護層分析，對整個次氯酸鈉多級配制系統進行3個節點的劃分，即廢次鈉供料、次鈉一級配制和次鈉二級配制，分析每個工藝單元和操作步驟中，因工藝設計的偏差所造成的危險和可操作性問題，并對可直接測量的工藝參數，如溫度、壓力、流量、液位、濃度等，定性識別出危害等級，提出并分析確定有足夠保護層的防止措施和減緩措施。

防止措施是防止一個或多個事故點的發生，如指示、報警、自動調節、聯鎖、操作規程等；減緩措施作用是減小事故點造成后果的嚴重程度。技術團隊本著從工藝本質安全的角度進行深入分析，確定進一步提高裝置本質安全水平的措施，使整個次氯酸鈉多級配制系統的安全風險程度降到較低水平。

綜合分析2.3中的工藝流程和安全風險，總結提出了一系列消減爆炸和人員傷亡的風險防控措施。即一級配制中，增加濃次鈉流量計二選二高高報警，DCS聯鎖停次鈉配制水泵和濃次鈉泵的聯鎖措施。二級配制中，1%次氯酸鈉泵出口新增切斷閥，1%次氯酸鈉雙流量計二選二高高或低低報警，DCS聯鎖關閉1%次氯酸鈉新增切斷閥，多級配制切斷系統優化簡圖見圖2；同時，為降低配制系統安全等級至較低水平，增加廢次鈉管線DCS和SIS應急補水系統，多級配制應急補水系統優化簡圖見圖3。此外，應急水管網補水切斷閥在SIS中加設緊急停車按鈕，緊急狀況下操作人員應急響應，也作為應急措施的一部分。

圖2 多級配制切斷系統優化簡圖

圖3 多級配制應急補水系統優化簡圖

應急補水分為DCS系統穩定和SIS安全2種模式，一是為維持生產穩定運行的生產水管網補水，即在廢次鈉泵出現故障無法提供二級配制的稀釋水時，由生產水管網直接聯鎖打開補水切斷閥，及時供應稀釋用水，降低次鈉儲槽濃度超標的風險；二是為進一步阻止運行事故狀態下安全風險的擴大，在應急水管網（消防用水）中增加SIL2等級切斷閥，與廢次鈉管線所在壓力形成控制回路，回路安全等級為SIL2，可在稀釋水系統和生產水管網均為故障狀態下，阻止游離氯含量超標的次鈉進入乙炔清凈系統，避免爆炸等安全事故的發生。

其中，SIS補水聯鎖系統在試運行期間出現SIL2等級的壓力表顯示為低值，即接近于零或負值，造成SIS補水聯鎖系統無法順利投用。經過氯堿公司專業技術分析得出，因文丘里設備的特殊性，壓力表安裝位置與設備較近，后期將擇機將SIL2等級壓力表改造為SIL2等級流量計，再與補水閥進行聯鎖，可直接解決此項問題。

4 綜合效益及結語

通過危險與可操作性分析，對次氯酸鈉多級配制系統進行風險識別后，消除了因設計缺陷或儀表故障等因素造成的風險。通過乙炔清凈次氯酸鈉多級配制系統工藝和控制優化，提高工藝系統安全等級和本質安全水平，一定程度上為乙炔清凈系統的安全穩定運行提供堅實保障。乙炔清凈為事故多發工序，在追尋經濟效益的同時，應更加關注其系統的安全性能，深入挖掘分析不利于安全生產的風險因素，通過對工藝及控制系統進行優化改進，切實推進企業和氯堿行業健康發展。