氯化工藝危害因素及自動(dòng)化改進(jìn)探究

戴文東 王新剛

(1. 黑龍江龍維化學(xué)工程設(shè)計(jì)有限公司山東分公司,山東 淄博 255000;2. 山東科達(dá)化工工程有限公司淄博分公司,山東 淄博 255000)

《重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄》(2013版)中指出，氯化表示將氯原子引入化合物分子中，氯化工藝則為包含氯化反應(yīng)的工藝過程，多由加成氯化、取代氯化及氧氯化等組成。由于氯化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所用的原料大多是氧化性很強(qiáng)的劇毒化學(xué)品，反應(yīng)劇烈，爆炸事故發(fā)生率較高，并且生成的產(chǎn)品、合成過程中產(chǎn)生的尾氣大多可以形成爆炸性及強(qiáng)腐蝕性的混合產(chǎn)物。所以，涉及氯化工藝的化工裝置在前期設(shè)計(jì)過程中必須做好自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以原國(guó)家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三〔2013〕3號(hào)文件為根據(jù)，聯(lián)合《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》(安委【2020】3號(hào))，詳細(xì)闡述了氯化工藝全流程自動(dòng)化改進(jìn)的相關(guān)內(nèi)容。

1 氯化工藝流程

以氯化氫生產(chǎn)為例，氯氣與氫氣在常溫常壓且無(wú)光的條件下會(huì)緩慢反應(yīng)，當(dāng)環(huán)境溫度超過440 ℃時(shí)，反應(yīng)過程會(huì)加快，稍有不慎還會(huì)發(fā)生爆炸。通過對(duì)反應(yīng)條件的合理控制，維持氫氣與氯氣燃燒的均衡性，加大熱量的釋放。

其工藝流程為：通過緩沖罐做好氯氣、氫氣的調(diào)壓，經(jīng)氫氣防爆罐后的氫氣，再次通過阻火器，氯氣經(jīng)阻火器后到達(dá)石墨合成爐，兩者摩爾比控制在一定水平。氯氣與氫氣處于混合燃燒過程時(shí)，生成氯化氫，同時(shí)有大量熱量釋放[1]，熱量被合成爐高溫水帶走后產(chǎn)生蒸汽。氯化氫氣體經(jīng)循環(huán)水冷卻至45 ℃，借助水或稀鹽酸吸收，即可完成濃鹽酸的制備。冷水段及系統(tǒng)熱量通過循環(huán)水吸收帶走。

2 氯化工藝自動(dòng)化控制方案

根據(jù)工藝及儀表流程圖，做好危險(xiǎn)與可操作性(HAZOP)分析報(bào)告及安全完整性等級(jí)(SIL)定級(jí)報(bào)告，選擇分散控制系統(tǒng)(DCS)負(fù)責(zé)集中控制氯化工藝，并引入安全儀表系統(tǒng)(SIS)，促進(jìn)系統(tǒng)安全度的提高。

應(yīng)用雙閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主、副流量各自由對(duì)應(yīng)的閉合回路定值控制。主、從控制回路均包含調(diào)節(jié)閥與氯氣流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥與氫氣流量計(jì)[2]。當(dāng)主控量出現(xiàn)氯氣流量變化時(shí)，根據(jù)適宜的比例展開調(diào)控，且調(diào)整相應(yīng)副控量氫氣設(shè)定值。

3 氯化釜自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 溫度、壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警

以氯化釜為基礎(chǔ)，在逐一配置好壓力與溫度傳感器后，壓力與溫度信號(hào)進(jìn)入DCS系統(tǒng)[3]。針對(duì)溫度與壓力異常情況可通過中央控制室進(jìn)行監(jiān)控，一旦氯化釜達(dá)到0.25 MPa的壓力或85 ℃的溫度，DCS系統(tǒng)會(huì)迅速發(fā)出信號(hào)。

3.2 反應(yīng)物料比例控制

選擇比值控制方法配比氫氣與氯氣進(jìn)爐流量。氫氣進(jìn)爐流量的控制參照氯氣流量實(shí)際變化情況進(jìn)行，自動(dòng)化控制采取比值函數(shù)運(yùn)算。

3.3 進(jìn)爐穩(wěn)壓控制

通過單回路閉環(huán)進(jìn)行進(jìn)爐前氫氣壓力的控制，氫氣壓力的穩(wěn)定通過調(diào)節(jié)氫氣放空流量進(jìn)行。圖1為氫氣壓力控制簡(jiǎn)圖。

圖1 氫氣壓力控制簡(jiǎn)圖

選擇單回路閉環(huán)控制氯氣進(jìn)爐前的壓力，通過對(duì)氯氣去事故氯處理系統(tǒng)流量的微量調(diào)節(jié)，穩(wěn)定氯氣壓力[4]。圖2為氯氣壓力控制簡(jiǎn)圖。

圖2 氯氣壓力控制簡(jiǎn)圖

3.4 HCl吸收水流量控制

選擇單回路閉環(huán)控制HCl吸收水流量，以去吸收塔HCl流量為依據(jù)，聯(lián)合下酸溫度進(jìn)行吸收水流量設(shè)定值的調(diào)整，達(dá)到自動(dòng)化控制吸收水流量的目標(biāo)[5]。圖3為吸收水流量控制簡(jiǎn)圖。

圖3 吸收水流量控制簡(jiǎn)圖

3.5 進(jìn)爐夾套熱循環(huán)水溫度控制

選擇單回路閉環(huán)控制熱循環(huán)水溫度，換熱器熱水出口溫度的調(diào)節(jié)通過控制換熱器冷卻水流量進(jìn)行。圖4為熱循環(huán)水溫度控制簡(jiǎn)圖。

圖4 熱循環(huán)水溫度控制簡(jiǎn)圖

3.6 安全儀表系統(tǒng)

選擇氯氣檢測(cè)報(bào)警器并分別安置在氯化釜、氯氣緩沖罐，在控制室內(nèi)安裝控制器，并做好有毒氣體檢測(cè)探頭(固定式)的配置，其安裝高度應(yīng)距地坪(或樓地板)0.4 m，防護(hù)等級(jí)IP55，反應(yīng)時(shí)間不超過30 s，報(bào)警音量不低于80 dB，檢測(cè)信號(hào)向SIS系統(tǒng)傳遞，該系統(tǒng)在氯氣檢測(cè)報(bào)警器監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)高于規(guī)定值的檢測(cè)值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)工藝路線及優(yōu)勢(shì)

氫氣在壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的作用下穩(wěn)定壓力后向氫氣緩沖罐轉(zhuǎn)移；氯氣在壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的作用下穩(wěn)定壓力后向氯氣緩沖罐轉(zhuǎn)移[6]。出緩沖罐后的氯氣，經(jīng)連鎖切斷閥后向并聯(lián)的合成爐轉(zhuǎn)移，流量計(jì)安置在合成爐入口處，并串聯(lián)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥與手動(dòng)截止閥。出緩沖罐后的氫氣，經(jīng)連鎖切斷閥后向并聯(lián)的合成爐轉(zhuǎn)移，流量計(jì)安置在合成爐入口處，并串聯(lián)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥與手動(dòng)截止閥，合成爐中氫氣流量會(huì)在氯氣流量的變化下通過自動(dòng)調(diào)節(jié)閥完成自動(dòng)調(diào)節(jié)。氫氣自動(dòng)調(diào)節(jié)閥并聯(lián)氫氣自動(dòng)調(diào)節(jié)閥(小口徑)，并于合成爐氯化氫氣體輸出部位設(shè)置分析氣體成分的儀器，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)小口徑氫氣自動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量，儀器支持自動(dòng)顯示。

針對(duì)小口徑自動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量，需根據(jù)產(chǎn)品成分反饋信息做好相應(yīng)的調(diào)節(jié)工作，原料工藝指標(biāo)有波動(dòng)時(shí)，自動(dòng)修正氫氣流量，確保系統(tǒng)穩(wěn)定與產(chǎn)品質(zhì)量[7]。一旦工藝指標(biāo)出現(xiàn)較大波動(dòng)，且接近極限值時(shí)，直接威脅系統(tǒng)安全，此時(shí)系統(tǒng)連鎖切斷閥會(huì)迅速切斷氯氣、氫氣，從而達(dá)到控制事故的目的。當(dāng)原料工藝指標(biāo)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，自動(dòng)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)可保證氯化氫產(chǎn)品的質(zhì)量，并確保生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。

在引入自動(dòng)化控制后，能夠大幅減少手工操作人員數(shù)量，不僅能節(jié)省人力資源，同時(shí)還能降低整個(gè)生產(chǎn)過程中的勞動(dòng)成本。

5 氯化工藝危害因素及安全對(duì)策

5.1 氯化工藝危害因素

一是合成氯化氫時(shí)，倘若法蘭、閥門、管道選材不當(dāng)，或設(shè)備損壞，或密封不嚴(yán)，皆有出現(xiàn)物料泄露的可能。氫氣泄露后，與明火、高熱接觸后會(huì)燃燒、爆炸；氯氣、氯化氫泄露后，會(huì)引起中毒事故。

二是原料氫氣純度不高，氫氣中的空氣與水分可能較多。氫氣含氧量達(dá)到5%以上時(shí)，會(huì)生成氫氧混合爆炸物，稍有不慎就會(huì)引起嚴(yán)重后果。原料氯氣純度不高，氯氣中的氫氣與水分可能較多，氯氣含氫量達(dá)到5%以上時(shí)會(huì)形成氯氣與氫氣爆炸混合物[8]。水分含量偏少時(shí)，可為氯氣與氫氣合成反應(yīng)提供幫助，但當(dāng)水分含量超出一定值時(shí)，各個(gè)設(shè)備受腐蝕的可能性會(huì)急劇上升。

三是參照氫氣與氯氣反應(yīng)方程式，其合成分子比理論上應(yīng)為1∶1。然而，實(shí)際中通常是以1.05～1.1∶1的比例控制氫氣與氯氣分子比。當(dāng)氫氣過量達(dá)到10%以上時(shí)，會(huì)降低氯化氫純度；氫氣過量達(dá)到20%以上時(shí)，形成爆炸混合物的可能性極高；氯氣過量時(shí)，冷卻管與游離氯間會(huì)有反應(yīng)產(chǎn)生，形成會(huì)腐蝕設(shè)備的氯化鐵。

四是合成氯化氫的過程屬于放熱反應(yīng)，生成氯化氫的同時(shí)會(huì)釋放大量熱，持續(xù)提高爐內(nèi)溫度，而當(dāng)溫度上升后相應(yīng)地也會(huì)加快反應(yīng)速度，倘若冷卻不及時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)過于激烈而造成爆炸的情況。

5.2 安全對(duì)策

一是提前做好各項(xiàng)設(shè)備、儀器儀表、管道及閥門的檢查，保證完整性的同時(shí)實(shí)施系統(tǒng)試壓檢漏。以操作過程為根據(jù)，做好合成爐、緩沖罐氣體置換工作，保證與安全限值相符合。置換好氣體后，檢驗(yàn)氫氣、氯氣純度是否合格，經(jīng)驗(yàn)證通過后充入對(duì)應(yīng)緩沖罐，同時(shí)將壓力控制設(shè)備啟動(dòng)。

二是需在生產(chǎn)、儲(chǔ)存區(qū)域做好安全警示標(biāo)志的設(shè)置。按照輕裝輕卸的原則搬運(yùn)鋼瓶及附件等，避免出現(xiàn)受損的情況。吊裝過程中，需在專用筐內(nèi)放置氣瓶，確保與安全要求相符合。吊運(yùn)著力點(diǎn)不得選擇瓶閥或用鏈繩捆扎或電磁起重機(jī)。容器倒空時(shí)如果出現(xiàn)有害物殘留，應(yīng)第一時(shí)間做好相應(yīng)的處理工作。

三是設(shè)備出現(xiàn)故障、突然停電、點(diǎn)火失敗或火焰異常熄滅等情況，此時(shí)需迅速做好合成系統(tǒng)停車工作[9]。緊急停車中，需將連鎖程序啟動(dòng)并將氯氣與氫氣進(jìn)氣閥關(guān)閉，同時(shí)將氯化氫吸收器進(jìn)氣閥關(guān)閉，切換至事故氯化氫吸收罐后，啟動(dòng)去事故氯處理閥與氫氣放空閥。以正常停車處理其他事項(xiàng)，待排除所有故障后方可再次點(diǎn)火。

四是合成爐達(dá)到一定限度的超壓時(shí)，防爆膜破裂。之所以會(huì)出現(xiàn)此類情況，主要是爐內(nèi)有易被引燃的爆炸性混合氣形成，危險(xiǎn)性極大。開車前、火焰熄滅后，需以規(guī)定要求為根據(jù)置換氣體，以便消除爆炸性混合氣形成的可能性。生產(chǎn)實(shí)踐中，氫氣應(yīng)當(dāng)保持過量的狀態(tài)，這也能有效規(guī)避爆炸性混合氣的形成。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以原國(guó)家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三〔2013〕3號(hào)文件為依據(jù)，聯(lián)合《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》(安委【2020】3號(hào))，做好危險(xiǎn)與可操作性分析報(bào)告及安全完整性等級(jí)定級(jí)報(bào)告，選擇分散控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)集中控制氯化工藝，并引入安全儀表系統(tǒng)，可促進(jìn)系統(tǒng)安全度的提高。通過引入自動(dòng)化控制技術(shù)，能夠自動(dòng)化管理氯化氫合成工藝流程，且能準(zhǔn)確高效地控制成分、壓力、溫度、流量，確保合成過程的安全性。同時(shí)，通過復(fù)雜控制系統(tǒng)及連鎖報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用，可降低故障率，緩解儀表維護(hù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，整體效益良好。