精細化工反應的工藝安全設計措施探討

唐建業 張 旭 楊 龍 王向新 董文勝 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

化工行業是國民經濟的基礎行業，精細化工在化工行業中占有重要的地位。精細化工過程往往伴隨易燃、易爆、有毒、有害等物料和產品。精細化工工藝的特點是：產品種類多、批量小，原輔料大多有毒且具有易燃易爆性，生產過程多為間歇或半間歇式，工藝流程長、操作工況多變等[1]。

日本中央勞動災害防止協會調查研究部對間歇式化工過程的事故統計分析結果為：反應22.9%，貯存12.5%，輸送10.1%，蒸餾6.7%，混合5.8%。Ciba Geigy 公司1971～1980 年工廠事故統計顯示，56%的事故是由反應失控或近于失控造成的[2]。反應失控是精細化工發生事故的主要原因。反應失控的主要原因是熱累積，精細化工大多數反應是放熱反應，在反應溫度過高，散熱不良甚至冷卻失效的情況下，反應釜內物料處于類似絕熱的環境，這部分熱量無法散失到界外，只能不斷給自身加熱，加速反應熱的生成，形成惡性循環。

精細化工反應安全設計是一個復雜的系統工程，與設計、施工、材料、管理、操作等各方面相關，反應釜是最常見的進行化學反應的設備，本文從工藝設計的角度探討精細化工反應設計過程中的注意要點和措施。

1 特性

1.1 介質特性研究

精細化工反應涉及物料種類多、性質差異大。設計前期應充分了解原材料、中間體和產品的性質，這些性質通常包括：閃點、燃點、自燃點、熔點或凝固點、沸點、飽和蒸氣壓、溶解度、爆炸極限、熱穩定性、毒性、腐蝕性、空氣中的允許濃度等。應根據物料的性質指導工藝設計，并制定必要的防護措施、中毒的急救措施和安全生產措施。

1.2 物料熱反應性研究

精細化工生產的主要安全風險來自于工藝反應的熱風險。設計時應對反應安全風險進行評估，對反應中涉及的原料、中間物料、產品等化學品進行熱穩定測試，對化學反應過程開展熱力學和動力學分析，進行反應風險評估[3]。

根據反應熱、絕熱溫升等參數評估反應的危險等級，根據最大反應速率到達時間等參數評估反應失控的可能性，結合相關反應溫度參數進行多因素危險度評估，確定反應工藝危險度等級。根據危險等級確定對應的設計方案。

反應風險評估是一門復雜的學科，需要充分認識反應的動力學和熱力學，均相反應與非均相反應，自催化反應等。工藝危險度是風險評估的工具，幫助定量風險，并基于風險選用適用的安全措施才是化學反應風險評估的根本，固相反應和氣固反應需要用不同的方法來評估。

2 控制聯鎖措施

2.1 進料控制

如果投料順序顛倒、投料速度過快，有可能造成反應溫度異常升高，可能使反應飛溫，引起火災或爆炸事故；在設計時，可通過流量計和調節閥控制進料流量，并設計為自動按比例控制進料，進料流量設置報警和聯鎖。必要時，可設置順控程序來實現自動投料，防止人為失誤而引起投料順序顛倒、投料速度過快等事故。某典型的反應器進料比例控制見圖1。

圖1 反應器進料比例控制示意圖

2.2 電機使用應急電源供電

反應系統的攪拌、冷卻外循環泵等用電設備的用電可靠性對于反應安全也至關重要。停止攪拌或攪拌失效可能造成熱累積，是非常危險的。一旦攪拌再次開動，可能突然引發局部激烈反應，瞬間釋放大量的熱量，引起爆炸事故；冷卻外循環泵停止，可能引起移熱不及時，造成反應超溫超壓，從而發生安全事故。因此，反應部分的關鍵用電設備應設置應急電源供電，保證供電的可靠性，減小事故發生的可能性。

2.3 事故緊急切斷

當反應失控或反應器超溫、超壓時，應設置緊急切斷。根據具體情況，應自動切斷可能導致危險惡化的進出生產裝置的物料，以保證系統沒有過多的熱量輸入，防止事態進一步惡化。反應器進料緊急切斷示意見圖2。

圖2 反應器進料緊急切斷示意圖

2.4 反應釜溫度和壓力聯鎖

反應釜的溫度和壓力是最為敏感和直接的參數，應設置溫度和壓力檢測報警和聯鎖。聯鎖切斷進料和熱源，必要時打開緊急泄放閥。可設置多個溫度計和壓力表，比如反應釜不同位置的多點溫度測量。反應器溫度或壓力報警聯鎖示意見圖3。

圖3 反應器溫度或壓力報警聯鎖示意圖

3 保護減緩措施[2]

3.1 安全泄壓裝置

安全泄壓通常有安全閥、爆破片等。在非正常條件下控制措施失效時，可通過安全閥和爆破片來泄壓或降溫，避免壓力設備本體發生爆炸，保證設備和管道正常工作，防止發生意外。

根據實際介質特性和工況，可單獨使用安全閥或爆破片，也可將爆破片與安全閥組合使用，通常有三種組合方式：爆破片串聯在安全閥入口側、爆破片串聯在安全閥出口側、爆破片和安全閥并聯，詳見圖4。

圖4 反應器爆破片和安全閥不同組合方式

3.2 緊急冷卻

在發生失控時，使用緊急冷卻代替正常冷卻。一般需設置一個獨立的冷卻系統，通過反應器的夾套或盤管引入冷卻介質。要注意：緊急冷卻后的反應物料溫度不得低于其凝固點，還要保證反應器的良好攪拌，否則會降低傳熱，造成嚴重后果。若攪拌器失效，則還應考慮在反應器底部通入氮氣，幫助物料混合。

3.3 抑制減緩

通過噴嘴或用氮氣向反應物料噴射少量抑制劑，減緩或終止失控的反應。為了使抑制劑快速分散、均勻分布，必須確保有效的攪拌。抑制劑的選擇與反應過程有關。例如，自由基聚合反應選用自由基清除劑（阻聚劑）；催化反應選用催化劑失效劑；對于氯或酸性混合物體系，可以用堿性物質中和。

3.4 淬滅或澆灌

大量惰性的和冷的淬滅劑澆灌反應物料，可以起到驟冷和稀釋作用，通過降低溫度和濃度來減緩或終止失控反應。水因其便宜、易得和高比熱，而且使用安全，是常用的淬滅劑。在高寒地區室外使用時，應加防凍液，不宜用伴熱防凍。對于與水會發生放熱反應的情況，如磺化反應，應使用冷硫酸作淬滅劑。對于熱效應很大的情況，可使用液氮或干冰。淬滅液槽應設置在反應器上方，一旦開啟閥門，淬滅劑藉重力流入反應器，澆灌反應物料。采用抑制和淬滅措施，反應器設計時必須留出空余容積。

3.5 傾瀉

傾瀉是指在反應失控時將反應物料全部轉移到盛有淬滅劑或/和抑制劑的傾瀉槽，可保護反應器。傾瀉槽安裝在反應器下方，反應物料利用重力通過反應器底部閥門排出。

3.6 控制減壓

這項措施不同于緊急泄放，是在不采用外部冷卻的情況下，利用控制減壓使物料蒸發冷卻，降低反應溫度。

4 結語

精細化工反應危險性高，在設計時：從介質特性研究、熱反應性研究、進料控制、應急電源供電、事故緊急切斷、反應釜溫度和壓力聯鎖等方面進行考慮；采用緊急冷卻、抑制減緩、淬滅或澆灌、傾瀉、控制減壓等措施來防止事故的發生或降低事故危害。

關于精細化工反應的設計，可從以下幾個方面開展進一步研究和優化：

（1）精細化工反應種類多，反應復雜，應從工藝過程角度首先考慮開發連續化工藝。

（2）生產裝置連續化的同時，應充分考慮監測、措施啟動和產生效果所需要的時間；應向控制保障系統自動化的方向發展，以實現生產遠程自動化控制和操作系統的智能化。

（3）隨著精細化工反應產能不斷放大，需要操作人員具有現代化學工藝理論知識與技能、高度的安全生產意識和責任感，保證精細化工生產裝置的科學、安全和熟練的操作控制，才能實現裝置的安全運行。

（4）精細化工反應應重視HAZOP 及LOPA 等分析及安全功能評定，確定是否設置安全儀表系統（SIS）及安全危險性等級（SIL），以提高系統的安全可靠性。