VAE 超高壓聚合反應SIS 設計及SIL 定級分析

孫仁龍 劉亞琪

（中國石油工程項目管理公司天津設計院）

VAE乳液外觀呈乳白色或微黃色，是醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液的簡稱， 是以醋酸乙烯和乙烯單體為基本原料，與其他輔料通過乳液聚合方法共聚而成的高分子乳液。 VAE乳液屬于水基型粘合劑，無公害，符合現代環保發展要求，在美國通過了FDA認證，廣泛用于膠粘劑、外墻外保溫、建筑防水、涂料、復合包裝材料、建筑水泥砂漿改性、無紡布制造、紙張涂層，以及各種極性與非極性材料的通用粘接等。

1 VAE生產工藝簡介

VAE乳液于20世紀60年代中期由美國空氣公司（APCI）最先實現工業化，隨后，杜邦、瓦克等公司也先后生產出類似的產品，中國臺灣大連化學工業股份有限公司于1986年建成第1條VAE生產裝置。 目前，國內VAE生產廠家主要有北京有機化工廠、四川維尼綸廠、廣西皖維生物質科技有限公司及山西三維化工有限公司等，大多采用低壓聚合工藝，其工藝流程一般包括原料、配料、聚合、脫泡和包裝5個單元，工藝流程如圖1所示。

圖1 VAE生產工藝流程簡圖

為了打破國外高壓聚合工藝的技術壟斷，經過十多年摸索， 國內某化工廠首次采用具有自有知識產權的超高壓VAE聚合工藝， 反應系統設計壓力達10 MPa， 反應溫度150 ℃， 因溫度壓力高且涉及許多復雜的熱反應和氧化還原反應，系統安全至關重要。

2 安全控制系統設計

2.1 反應系統工藝流程簡介

如圖2所示， 將配制好的乳化劑體系、 初始VAC加入聚合反應器， 再向反應器中通入乙烯，當達到設定壓力后，關閉乙烯閥。 開啟反應器攪拌， 并向釜內盤管換熱器通入蒸汽預熱反應物料，達到初始反應溫度后，關閉加熱蒸汽。 然后向反應器中加入氧化劑，利用盤管換熱器切換加熱蒸汽與冷卻水來控制反應溫度。 當反應時間計時結束，停止向反應器加入氧化劑，利用加熱蒸汽保溫一定時間。 待保溫結束，關閉反應器攪拌器，利用反應器內部余壓將物料壓入脫泡槽。

圖2 反應系統工藝流程簡圖

2.2 SIS設計

當反應釜溫度或壓力超限時，聯鎖動作，SIS對相關泵閥進行順序控制。 聯鎖設計如下：

a. 觸發聯鎖保護條件，反應釜溫度（四選二）高于140 ℃，反應釜壓力（三選一）大于9.5 MPa，輔操作臺緊急按鈕按下。

b. 聯鎖保護動作，乙烯進料閥關閉，醋酸乙烯進料閥關閉，引發劑泵關閉，終止劑泵開啟，切斷閥XV1開啟，切斷閥XV2開啟。

c. 聯鎖復位操作，反應釜溫度壓力條件恢復正常，按下“復位”按鈕，聯鎖復位信號燈亮。

d. 緊急聯鎖按鈕， 在未達到聯鎖條件時，根據工藝反應過程需要，人工啟動聯鎖。

反應系統的聯鎖邏輯如圖3所示。

圖3 反應系統聯鎖邏輯

2.3 SIL定級

根據《國家安全監管總局、住房城鄉建設部關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》安監總管三〔2013〕76號規定，進行了工藝流程和操作規程分析，開展了危險和可操作性（HAZOP）、保護層分析（LOPA）和安全完整性等級（SIL）定級工作。工藝流程包括VAE主裝置（PVA配置系統、VAC配置系統、 氧化還原系統、APS系統、反應系統和脫泡系統）和VAC儲槽，乙烯蒸發的主要管線和設備。 操作規程包括PVA配藥、VAC配藥、DTDK配藥、APS配藥和H2O2配藥。

通過對14個節點的HAZOP分析以及19個場景的LOPA分析，共辨識出各類風險等級94個（其中員工傷害風險34個、財產損失風險33個、環境與社會影響風險27個）， 并針對性地提出了70條建議措施。 通過對19個場景的LOPA分析，對5個SIF回路進行了SIL定級［1］。 在采用全部建議的前提下，所有場景的風險均能降至允許風險等級及以下，使得該裝置的風險總體上可控。 針對反應系統的HAZOP、LOPA分析提出的建議見表1、2。

表1 反應系統HAZOP分析建議

表2 反應系統SIL定級LOPA分析清單

2.4 SIL定級

根據《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》（安監總管三〔2009〕116號）的規定，對危險化工工藝的重點監控參數、安全控制的基本要求、宜采用的控制方式設計要求對照情況見表3。

表3 反應系統工藝安全控制對照一覽表

3 結束語

通過對VAE超高壓聚合反應系統分析，提出SIS設計方案， 明確了安全儀表功能回路的SIL等級，提高了本質安全設計水平，保證了裝置的安全長周期正常運行。