精細(xì)化工反應(yīng)的工藝安全設(shè)計(jì)措施探討

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

化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)行業(yè)，精細(xì)化工在化工行業(yè)中占有重要的地位。精細(xì)化工過程往往伴隨易燃、易爆、有毒、有害等物料和產(chǎn)品。精細(xì)化工工藝的特點(diǎn)是：產(chǎn)品種類多、批量小，原輔料大多有毒且具有易燃易爆性，生產(chǎn)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(zāi)害防止協(xié)會調(diào)查研究部對間歇式化工過程的事故統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為：反應(yīng)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(tǒng)計(jì)顯示，56%的事故是由反應(yīng)失控或近于失控造成的[2]。反應(yīng)失控是精細(xì)化工發(fā)生事故的主要原因。反應(yīng)失控的主要原因是熱累積，精細(xì)化工大多數(shù)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)溫度過高，散熱不良甚至冷卻失效的情況下，反應(yīng)釜內(nèi)物料處于類似絕熱的環(huán)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(yīng)熱的生成，形成惡性循環(huán)。

精細(xì)化工反應(yīng)安全設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，與設(shè)計(jì)、施工、材料、管理、操作等各方面相關(guān)，反應(yīng)釜是最常見的進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，本文從工藝設(shè)計(jì)的角度探討精細(xì)化工反應(yīng)設(shè)計(jì)過程中的注意要點(diǎn)和措施。

1 特性

1.1 介質(zhì)特性研究

精細(xì)化工反應(yīng)涉及物料種類多、性質(zhì)差異大。設(shè)計(jì)前期應(yīng)充分了解原材料、中間體和產(chǎn)品的性質(zhì)，這些性質(zhì)通常包括：閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、自燃點(diǎn)、熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)、沸點(diǎn)、飽和蒸氣壓、溶解度、爆炸極限、熱穩(wěn)定性、毒性、腐蝕性、空氣中的允許濃度等。應(yīng)根據(jù)物料的性質(zhì)指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)，并制定必要的防護(hù)措施、中毒的急救措施和安全生產(chǎn)措施。

1.2 物料熱反應(yīng)性研究

精細(xì)化工生產(chǎn)的主要安全風(fēng)險(xiǎn)來自于工藝反應(yīng)的熱風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)時應(yīng)對反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，對反應(yīng)中涉及的原料、中間物料、產(chǎn)品等化學(xué)品進(jìn)行熱穩(wěn)定測試，對化學(xué)反應(yīng)過程開展熱力學(xué)和動力學(xué)分析，進(jìn)行反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評估[3]。

根據(jù)反應(yīng)熱、絕熱溫升等參數(shù)評估反應(yīng)的危險(xiǎn)等級，根據(jù)最大反應(yīng)速率到達(dá)時間等參數(shù)評估反應(yīng)失控的可能性，結(jié)合相關(guān)反應(yīng)溫度參數(shù)進(jìn)行多因素危險(xiǎn)度評估，確定反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級。根據(jù)危險(xiǎn)等級確定對應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評估是一門復(fù)雜的學(xué)科，需要充分認(rèn)識反應(yīng)的動力學(xué)和熱力學(xué)，均相反應(yīng)與非均相反應(yīng)，自催化反應(yīng)等。工藝危險(xiǎn)度是風(fēng)險(xiǎn)評估的工具，幫助定量風(fēng)險(xiǎn)，并基于風(fēng)險(xiǎn)選用適用的安全措施才是化學(xué)反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評估的根本，固相反應(yīng)和氣固反應(yīng)需要用不同的方法來評估。

2 控制聯(lián)鎖措施

2.1 進(jìn)料控制

如果投料順序顛倒、投料速度過快，有可能造成反應(yīng)溫度異常升高，可能使反應(yīng)飛溫，引起火災(zāi)或爆炸事故；在設(shè)計(jì)時，可通過流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)料流量，并設(shè)計(jì)為自動按比例控制進(jìn)料，進(jìn)料流量設(shè)置報(bào)警和聯(lián)鎖。必要時，可設(shè)置順控程序來實(shí)現(xiàn)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(yīng)器進(jìn)料比例控制見圖1。

圖1 反應(yīng)器進(jìn)料比例控制示意圖

2.2 電機(jī)使用應(yīng)急電源供電

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

2.3 事故緊急切斷

當(dāng)反應(yīng)失控或反應(yīng)器超溫、超壓時，應(yīng)設(shè)置緊急切斷。根據(jù)具體情況，應(yīng)自動切斷可能導(dǎo)致危險(xiǎn)惡化的進(jìn)出生產(chǎn)裝置的物料，以保證系統(tǒng)沒有過多的熱量輸入，防止事態(tài)進(jìn)一步惡化。反應(yīng)器進(jìn)料緊急切斷示意見圖2。

圖2 反應(yīng)器進(jìn)料緊急切斷示意圖

2.4 反應(yīng)釜溫度和壓力聯(lián)鎖

反應(yīng)釜的溫度和壓力是最為敏感和直接的參數(shù)，應(yīng)設(shè)置溫度和壓力檢測報(bào)警和聯(lián)鎖。聯(lián)鎖切斷進(jìn)料和熱源，必要時打開緊急泄放閥?？稍O(shè)置多個溫度計(jì)和壓力表，比如反應(yīng)釜不同位置的多點(diǎn)溫度測量。反應(yīng)器溫度或壓力報(bào)警聯(lián)鎖示意見圖3。

圖3 反應(yīng)器溫度或壓力報(bào)警聯(lián)鎖示意圖

3 保護(hù)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(shè)備本體發(fā)生爆炸，保證設(shè)備和管道正常工作，防止發(fā)生意外。

根據(jù)實(shí)際介質(zhì)特性和工況，可單獨(dú)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(lián)在安全閥入口側(cè)、爆破片串聯(lián)在安全閥出口側(cè)、爆破片和安全閥并聯(lián)，詳見圖4。

圖4 反應(yīng)器爆破片和安全閥不同組合方式

3.2 緊急冷卻

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

3.3 抑制減緩

通過噴嘴或用氮?dú)庀蚍磻?yīng)物料噴射少量抑制劑，減緩或終止失控的反應(yīng)。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(yīng)過程有關(guān)。例如，自由基聚合反應(yīng)選用自由基清除劑（阻聚劑）；催化反應(yīng)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(zhì)中和。

3.4 淬滅或澆灌

大量惰性的和冷的淬滅劑澆灌反應(yīng)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(yīng)。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(qū)室外使用時，應(yīng)加防凍液，不宜用伴熱防凍。對于與水會發(fā)生放熱反應(yīng)的情況，如磺化反應(yīng)，應(yīng)使用冷硫酸作淬滅劑。對于熱效應(yīng)很大的情況，可使用液氮或干冰。淬滅液槽應(yīng)設(shè)置在反應(yīng)器上方，一旦開啟閥門，淬滅劑藉重力流入反應(yīng)器，澆灌反應(yīng)物料。采用抑制和淬滅措施，反應(yīng)器設(shè)計(jì)時必須留出空余容積。

3.5 傾瀉

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

3.6 控制減壓

這項(xiàng)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(fā)冷卻，降低反應(yīng)溫度。

4 結(jié)語

精細(xì)化工反應(yīng)危險(xiǎn)性高，在設(shè)計(jì)時：從介質(zhì)特性研究、熱反應(yīng)性研究、進(jìn)料控制、應(yīng)急電源供電、事故緊急切斷、反應(yīng)釜溫度和壓力聯(lián)鎖等方面進(jìn)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(fā)生或降低事故危害。

關(guān)于精細(xì)化工反應(yīng)的設(shè)計(jì)，可從以下幾個方面開展進(jìn)一步研究和優(yōu)化：

（1）精細(xì)化工反應(yīng)種類多，反應(yīng)復(fù)雜，應(yīng)從工藝過程角度首先考慮開發(fā)連續(xù)化工藝。

（2）生產(chǎn)裝置連續(xù)化的同時，應(yīng)充分考慮監(jiān)測、措施啟動和產(chǎn)生效果所需要的時間；應(yīng)向控制保障系統(tǒng)自動化的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)遠(yuǎn)程自動化控制和操作系統(tǒng)的智能化。

（3）隨著精細(xì)化工反應(yīng)產(chǎn)能不斷放大，需要操作人員具有現(xiàn)代化學(xué)工藝?yán)碚撝R與技能、高度的安全生產(chǎn)意識和責(zé)任感，保證精細(xì)化工生產(chǎn)裝置的科學(xué)、安全和熟練的操作控制，才能實(shí)現(xiàn)裝置的安全運(yùn)行。

（4）精細(xì)化工反應(yīng)應(yīng)重視HAZOP 及LOPA 等分析及安全功能評定，確定是否設(shè)置安全儀表系統(tǒng)（SIS）及安全危險(xiǎn)性等級（SIL），以提高系統(tǒng)的安全可靠性。