趙春雨 劉楓 張洪林 于洪波

摘 ?????要：環(huán)氧乙烷是一種重要的化工原料，然而各大高校和科研院所對它的深加工的研究比較少。綜述了環(huán)氧乙烷儲存和使用的安全評價方法，行業(yè)中產(chǎn)生的事故，企業(yè)實驗室應用情況。實驗室儲存和使用環(huán)氧乙烷時，可以用危險源評價表、絕熱量熱法對環(huán)氧乙烷的安全性進行評估。在具體使用時，必須采取如氮氣保護、低溫、連續(xù)加料，實時監(jiān)測等手段保證環(huán)氧乙烷的使用和存儲安全。

關 ?鍵 ?詞：環(huán)氧乙烷;安全;評價;預防

中圖分類號：TQ 201 ?????文獻標識碼： A ????文章編號： 1671-0460（2019）08-1823-05

Abstract： Ethylene oxide （EO） is an essential chemical material， while its unique physical and chemical properties exclude the academic researches of the down-stream processing of EO， which constrains the prosperity of EO field. In this paper， the safety evaluation method of ethylene oxide usage and storage was introduced as well as some accidents in the EO industry， which could provide some reference for users of EO. When using and storing EO in the lab， evaluation chart of danger sources and adiabatic calorimetry can be use to evaluate the safeness of EO. Strategies including nitrogen protection， low temperature， continuous precursor supply and in vivo monitoring should be employed to ensure the safe usage and storage of EO.

Key words： Ethylene oxide; Safety; Evaluation; Precaution

環(huán)氧乙烷是一種重要的化學品，利用環(huán)氧乙烷合成的聚醚類產(chǎn)品有著廣泛的用途，目前已被廣泛應用于如減水劑、紡織助劑、油田化學品、日用化學品、醫(yī)藥等多個領域。然而，一些高附加值的環(huán)氧乙烷衍生品的合成生產(chǎn)技術仍然被一些大型跨國公司壟斷，如醫(yī)藥領域應用的伯洛沙姆、伯洛沙胺、造紙中應用的聚氧化乙烯等。由于環(huán)氧乙烷的特殊性導致國內(nèi)高校、研究院所對環(huán)氧乙烷及精深加工的研究極少，特別是窄分布高分子量乙氧基化催化劑的研究較少，環(huán)氧乙烷及其衍生品的研究主要集中在相關企業(yè)。

1 ?引 言

環(huán)氧乙烷是一種易燃、易爆、有毒的危險化學品，環(huán)氧乙烷的自燃溫度為429 ℃，在空氣中的爆炸極限為3%～100%，為甲類危險介質(zhì)，其爆炸當量相當于TNT的2.7～5倍[1]，爆炸沖擊波產(chǎn)生的威力可以對建筑物、人等造成傷害。環(huán)氧乙烷的沸點為10.4 ℃，必須存儲在密閉帶壓容器中防止其揮發(fā)，此外，環(huán)氧乙烷在水分、醛、鐵銹[2]的存在下不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為在雜質(zhì)的影響下，環(huán)氧乙烷會發(fā)生緩慢聚合反應，該反應雖然不會發(fā)生爆炸，但形成的聚合物有可能堵塞管道、壓力表、泄放設施等，壓力表和泄放設施受到影響將會造成一定的安全隱患。除上述性質(zhì)外，環(huán)氧乙烷化學性質(zhì)活潑，在酸、堿或者金屬氧化物催化劑存在下易與醇、胺等化學品發(fā)生快速加成反應放出大量的熱量，已知環(huán)氧乙烷開環(huán)反應的放熱量為9.2×104 J/mol[3]。環(huán)氧乙烷的活潑性主要是由于其獨特的三元環(huán)結構決定的，這種獨特的結構使得環(huán)氧乙烷的張力可以達到 110～115 kJ/mol[4]。

環(huán)氧乙烷的物理化學特性要求使用單位在儲存和使用過程中必須嚴格規(guī)范管理，在行業(yè)發(fā)展過程中因為操作或使用不當而引起的環(huán)氧乙烷燃燒、爆炸事故較多，如1970 年12月中旬， 天津某廠用環(huán)氧乙烷和乙二胺合成羥乙基乙二胺[5]。由于乙二胺倒流入儲罐而引起爆炸，所幸未造成人員傷亡。1972年2月天津另一廠以低濃度氨水和環(huán)氧乙烷反應生產(chǎn)乙醇胺[4]引起爆炸，這起爆炸事故的原因也是由于未反應完的氨水倒壓入環(huán)氧乙烷貯罐引起的。2002年4月12日15時20分，常州市城南鋼瓶檢測站作業(yè)現(xiàn)場環(huán)氧乙烷鋼瓶突然發(fā)生爆炸，事故造成3人死亡，1人重傷，直接經(jīng)濟損失40萬元，間接經(jīng)濟損失300萬元[6]。

以上事故發(fā)生在企業(yè)小試或者中試階段，對環(huán)氧乙烷危害意識不足或者操作不當是引起事故的主要原因，而實驗室設備的自動化程度低，工藝和操作過程變化較大，發(fā)生事故的概率高于自動化程度高、工藝穩(wěn)定的大生產(chǎn)設備，因此，必須對實驗室使用環(huán)氧乙烷的風險進行評估并采取相應的監(jiān)管和預防措施，以避免此類事故的發(fā)生。在過去的幾十年中，對工業(yè)規(guī)模的環(huán)氧乙烷儲存和使用相關的安全評價研究較多，而對實驗室規(guī)模的研究較少，本文綜述了環(huán)氧乙烷安全評價的相關方法及法律法規(guī)，并結合奧克股份使用環(huán)氧乙烷的經(jīng)驗，給出了實驗室儲存及使用環(huán)氧乙烷的相關建議，特別對于高校研究院所使用環(huán)氧乙烷給與一定的提示。

2 ?環(huán)氧乙烷毒性和燃燒、爆炸性危害

環(huán)氧乙烷具有一定的生理毒性。環(huán)氧乙烷常溫下為無色氣體，且對神經(jīng)有麻醉作用，故操作人員在工作場所中很可能處于環(huán)氧乙烷氣體的環(huán)境中但不易覺察，國家衛(wèi)生職業(yè)標準《GBZ2.1-2007 工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學有害因素》規(guī)定工作場所空氣中環(huán)氧乙烷時間加權平均容許濃度（PC-TWA，以時間為權術規(guī)定的8 h工作日、40 h工作周的平均容許接觸濃度）為2 mg/m3并確認環(huán)氧乙烷為人類致癌物[7]?！吨腥A人民共和國職業(yè)病防治法》規(guī)定職業(yè)病危害因素的強度或者濃度符合國家職業(yè)衛(wèi)生標準[8]?！丁敖】抵袊?030”規(guī)劃綱要》明確提出，要強化行業(yè)自律和監(jiān)督管理職責，推動企業(yè)落實主體責任，推進職業(yè)病危害源頭治理，預防和控制職業(yè)病發(fā)生[9]。在企業(yè)或者高校實驗室，通常環(huán)氧乙烷儲罐（或者緩沖罐、計量罐）設置在室內(nèi)，上述方式雖然方便環(huán)氧乙烷的使用，一旦發(fā)生泄漏卻會威脅人的健康及實驗室安全。因此，應該盡量將環(huán)氧乙烷儲罐設置在室外陰涼通風良好的地方并控制環(huán)氧乙烷的存儲量。在室內(nèi)設置和反應釜匹配的計量罐，同時設置環(huán)氧乙烷氣體報警儀，實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)氧乙烷濃度。此外，還應保持實驗室通風條件良好，可以設置通風櫥等設施保證室內(nèi)空氣質(zhì)量，進入實驗室前，應提前打開相應設施保持室內(nèi)空氣流通再打開電氣設備。實驗過程中保持室內(nèi)通風良好。除此之外，企業(yè)應安排接觸環(huán)氧乙烷人群每年參加職業(yè)健康體檢。

環(huán)氧乙烷除具有一定的毒性外，還具有燃燒爆炸特性，這是由于環(huán)氧乙烷的特性決定的，即使無空氣存在時，當因某種原因?qū)е颅h(huán)氧乙烷溫度上升時，也會引發(fā)一定的風險。若環(huán)氧乙烷存儲過程中發(fā)生泄漏，容易引發(fā)中毒、閃火、蒸氣云爆炸、池火和BELEVE 火球事故[10]。閃火是可燃性氣體或蒸汽泄漏到空氣中，與之混合后被點燃而發(fā)生的一種非爆炸性的燃燒過程。閃火的主要危害來自直接接觸火焰和熱輻射。蒸氣云爆炸是可燃性氣體混合物經(jīng)過一段延滯時間后，可燃蒸氣云被點燃發(fā)生火災， 由于存在某些特殊原因和條件，火焰?zhèn)鞑ケ患铀伲?產(chǎn)生危險的沖擊波超壓。蒸氣云爆炸的主要危害來自沖擊波超壓，可造成建筑物損壞、人員重傷等。池火災是環(huán)氧乙烷泄漏后的液態(tài)成分遇火形成的，池火災的主要危害是熱輻射。BELEVE火球是環(huán)氧乙烷瞬時大量泄漏汽化遇火源產(chǎn)生的。引起環(huán)氧乙烷燃燒、爆炸的主要因素為空氣和溫度，但是必須指出，即使不接觸空氣，當儲罐或者反應器的溫度達到一定溫度時，仍然具有燃燒或者爆炸的危險，這是由于氣相環(huán)氧乙烷在 400 ℃左右時先異構化為乙醛，然后發(fā)生分解并引起鏈式傳播，主要分解產(chǎn)物為一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、氫氣和碳[11，12]。

由于環(huán)氧乙烷的燃燒爆炸特性，在環(huán)氧乙烷的儲存和使用過程中，必須加強對環(huán)氧乙烷的管理，在存儲和使用環(huán)氧乙烷的場所嚴禁煙火，制定相應的操作規(guī)程，并對危險源進行辨識并制定應急預案。除此之外，采用一定的方法對環(huán)氧乙烷的存儲和使用進行安全評估是十分必要的。

3 ?環(huán)氧乙烷安全評價

安全評價就是對系統(tǒng)存在的安全因素進行定性和定量分析，通過與評價標準的比較得出系統(tǒng)的危險程度，提出改進措施。在世界各國，風險（安全）評價工作越來越普及和專業(yè)化，并且重視程度也逐漸增加，當前，大多數(shù)工業(yè)發(fā)達國家己將風險評價作為工廠設計和選址、系統(tǒng)設計、工藝過程、事故預防措施及制定應急計劃的重要依據(jù)。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種風險評價方法[13，14]，安全檢查表（SCL），事故樹分析（FTA）、故障類型及影響分析（FMEA）、預先危險性分析（PHA）、危險源辨識和評價[15]、危險與可操作性研究（HAZOP）[16] 、LOPA 分析[16]、風險矩陣[16]等在環(huán)氧乙烷安全評價領域也已經(jīng)廣泛應用。上述多種安全評價方法的特點如表1所示。

類別 適用范圍 特點

安全檢查表 系統(tǒng)設計審查;危險因素辨識、評價和控制;安全教育;標準化作業(yè) 定性分析方法;系統(tǒng)、完整，避免走過場;依據(jù)法律法規(guī)，檢查目的明確;推行安全生產(chǎn)責任制;簡單易行

故障類型及影響分析 對系統(tǒng)各組成部分、元件進行分析 定量分析方法;可以對產(chǎn)品、設備、元件的故障類型及產(chǎn)生原因及影響預先了解，以便及時采取措施

事故樹分析 故障診斷，分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié);指導系統(tǒng)的安全運行和維修 定量分析方法;圖形演繹推理法;靈活性;由淺到深分析過程;可以定量計算復雜系統(tǒng)發(fā)生事故的概率

預先危險性分析 新系統(tǒng)設計;已有系統(tǒng)改造之前的方案設計、選址 定性分析方法;系統(tǒng)開發(fā)初期進行識別、控制危險因素，盡量減少系統(tǒng)中的危險因素

危險源辨識和評價 適用于公司各部門所有活動、產(chǎn)品、服務過程及工作環(huán)境中能夠控制和必須施加影響的工作。 定量分析方法;適用范圍廣，方法簡單

危險與可操作性研究 審查新設計或者已有工廠的生產(chǎn)工藝和工程總圖 定性分析方法;由多人組成的小組完成，包括行業(yè)專家，采用頭腦風暴的方式進行創(chuàng)造性的工作

LOPA 分析 在HAZOP和檢查表完成之后，對得到的結果過于復雜或危險的場景及需要采取SIS的部分 半定量的工藝危害分析方法;易于理解，便于實施;客觀性強，用于較復雜事故場景效果佳

風險矩陣 輔助用于HAZOP分析 定性分析和定量分析相結合，操作簡單

除了應用上述方法對工藝、設備等進行安全評價外，還可以建立一定的數(shù)學模型對發(fā)生事故的后果進行分析和評價。相艷景[10]等人利用ALOHA軟件對環(huán)氧乙烷泄露事故進行了模擬分析，通過設定環(huán)境溫度、風向、風速、泄露面積、泄露量等定量計算事故的影響面積，可以根據(jù)模擬結果預先設定安全距離，采取安全措施。如龔偉[17]以高斯模型、BELEVE 模型、爆炸模型等數(shù)學模型分別對進行環(huán)氧乙烷罐區(qū)事故后果分析。模擬過程假設某化工企業(yè)罐區(qū)有 4個容積400 m3的環(huán)氧乙烷球罐，單罐儲量260 t。距離環(huán)氧乙烷罐區(qū)北側15 m 有2個 1000 m3 的甲醇儲罐，環(huán)氧乙烷罐區(qū)東側為乙二醇裝車區(qū)，距離 100 m。罐區(qū)配備消防炮、固定滅火系統(tǒng)等消防設施?，F(xiàn)假設環(huán)氧乙烷儲罐輸料管法蘭（距地面0.6 m）處發(fā)生破裂而造成連續(xù)性泄漏。通過模擬計算得出：盡管該企業(yè)罐區(qū)防火間距滿足現(xiàn)行規(guī)范《GB 50160-2008石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》的要求，但一旦發(fā)生泄漏事故，其后果非常嚴重。在4種可能的事故類型中，急性中毒危害范圍最廣，BELEVE 火球事故危害最大。

4實驗室環(huán)氧乙烷存儲和使用安全分析

Burgoyne，Bett[18]等人研究了環(huán)氧乙烷與氮氣混合狀態(tài)下的爆炸關系，結果表明環(huán)氧乙烷分壓越大，為保障環(huán)氧乙烷安全儲存所需要的氮氣壓力也越大。在沒有催化劑存在的情況下純 EO 可在常溫下保持穩(wěn)定;當儲罐中進入水后，該體系變得不穩(wěn)定，曾有多起因為儲運槽罐中引入水而導致的爆炸反應。此外，鐵銹也會影響環(huán)氧乙烷的穩(wěn)定性，即必須使用不銹鋼容器。趙鑒楚[19]在相關文章中指出，環(huán)氧乙烷儲罐的操作壓力應保持在0.3 MPa，即我們在實驗室儲存環(huán)氧乙烷時必須用氮氣保護，且保持儲罐內(nèi)的壓力為0.3 MPa。

在實驗室，環(huán)氧乙烷反應溫度通常120～180 ℃，選用的催化劑多數(shù)為堿性催化劑，在該反應溫度下，環(huán)氧乙烷具有一定的危險性。劉毛毛[20]等研究了雜質(zhì)對環(huán)氧乙烷起始放熱溫度、最大放熱溫度的影響，研究發(fā)現(xiàn)當環(huán)氧乙烷中加入氫氧化鉀后，初始反應溫度迅速下降，且隨氫氧化鉀的用量的增加影響程度逐漸增加甚至可以降低至36.6 ℃，氫氧化鉀水溶液的影響對其影響更大;說明在操作過程中一旦操作失誤導致反應物料倒流，堿性催化劑混入環(huán)氧乙烷中，其危險性非常大。

李寧[21]分析了不同乙氧基化反應裝置中環(huán)氧乙烷安全性， 通過研究不同工況下環(huán)氧乙烷可燃區(qū)域發(fā)現(xiàn)，當反應器內(nèi)無空氣存在且氮氣濃度大于50%時，環(huán)氧乙烷處于爆炸極限以下，然而現(xiàn)有的裝置中僅有BUSS反應釜符合要求。通常實驗室使用的多為釜式反應器，反應器內(nèi)氮氣濃度僅為5%～10%，無法保證其本質(zhì)安全。

高?；蛘咂髽I(yè)實驗室環(huán)氧乙烷儲存和使用量雖然較低，但是其裝置自動化程度、換熱能力遠低于生產(chǎn)裝置，一旦發(fā)生如泄露其引發(fā)的后果也是不可估量的。因此，對這些實驗裝置開展安全評價尤為重要。由于實驗室環(huán)氧乙烷存儲量較小，且合成過程中工藝變化較大，上述分析方法并不完全適用，可以用危險源辨識和評價的方法對實驗室存儲和使用環(huán)氧乙烷進行安全評價。

危險源辨識和評價是識別危險源并確定其特性的過程，依據(jù)GB/T 13861-2009《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》進行，以奧克股份實驗室使用環(huán)氧乙烷為例，環(huán)氧乙烷儲罐儲存量為5 kg，一次使用量不超過1 kg，對環(huán)氧乙烷儲存、使用等環(huán)節(jié)進行危險源辨識和評價，評價公式為：

從表3可以看出：實驗室存儲環(huán)氧乙烷過程中主要危險源主要有三類：一是環(huán)氧乙烷泄露引起的中毒事故，二是環(huán)氧乙烷中進入空氣引發(fā)的爆炸事故，三是超溫超壓引起的爆炸或者燙傷事故。因此針對這三類危險源可以采取的措施分別為：一是定期對環(huán)氧乙烷儲罐、乙氧基化設備、管線等進行氣密性進行檢測，防止設備出現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象;還可以用可燃性氣體檢測儀實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)氧乙烷濃度。二是所有設備、管線使用前進行氣密性檢測，并使用高純氮氣進行多次置換，確保反應釜內(nèi)環(huán)氧乙烷處于爆炸極限范圍以下。三是實驗過程中，環(huán)氧乙烷應該采取滴加方式，確保實驗過程中壓力、溫度在合適的范圍內(nèi)，避免一次性加入所有環(huán)氧乙烷導致設備超溫超壓運行，此外，應該采購專用的耐壓、耐高溫設備，設備密封墊圈不能使用天然橡膠或石棉墊片，因為它們會使環(huán)氧乙烷催化聚合。除此之外，設備有良好的換熱能力，嚴禁使用如燒瓶等實驗裝置進行乙氧基化實驗。

除了上述定性分析方法外，還可以使用絕熱量熱儀對環(huán)氧乙烷反應的放熱量進行定量測試，以得到絕熱條件下的溫升曲線及絕對放熱量，該測試可以為生產(chǎn)放大、換熱器的設計提供理論基礎。

5.1 ?環(huán)氧乙烷儲存

從表4中可以看出：應該將環(huán)氧乙烷儲存在耐壓不銹鋼儲罐中，不可使用鐵制儲罐和銅制壓力表，同時，嚴格控制環(huán)氧乙烷的儲存溫度，一般應為-5～5 ℃左右。

因環(huán)氧乙烷具有較大的膨脹系數(shù)，所以一般要保證環(huán)氧乙烷的充裝系數(shù)低于0.7，炎熱高溫夏季更應注意。環(huán)氧乙烷儲存過程中應用氮氣進行保護，氮氣壓力控制在0.3 MPa。為了維持儲罐壓力平衡，設計時應考慮壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、超壓保護系統(tǒng)和緊急放空系統(tǒng)。此外，應該設置冷水噴淋裝置。在環(huán)氧乙烷儲存時，要定期檢查儲罐，防止儲罐出現(xiàn)細微小孔引起的問題，因為當環(huán)氧乙烷儲罐泄漏點較小，存在發(fā)生小孔噴射時，因流速快，會產(chǎn)生高達9 kV高壓靜電，電位差達到 300 V以上就會發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，產(chǎn)生火花，引起環(huán)氧乙烷的燃燒和爆炸。

5.2 ?環(huán)氧乙烷使用

在環(huán)氧乙烷使用之前，儲罐和反應裝置、管線必須用氮氣置換，置換所用氮氣純度不低于99.999%，不可將環(huán)氧乙烷置于空氣氛圍中使用。一旦環(huán)氧乙院儲罐發(fā)生泄漏，用大于25倍的水進行稀釋，并將污水單獨排到環(huán)氧乙烷事故池中，嚴禁將污水排入下水道。使用環(huán)氧乙烷的實驗室必須嚴禁煙火及使用黑色金屬或者易產(chǎn)生火花的工具敲打設備。實驗過程中，必須采用緩慢滴加的方式進行，不可采用一次投料的方式。環(huán)氧乙烷反應裝置必須有足夠的降溫措施。實時檢測室內(nèi)環(huán)氧乙烷濃度，定期檢測設備。嚴格遵守操作規(guī)程等。

6 ?結 論

環(huán)氧乙烷是一種重要的化學品，但是作為甲類物質(zhì)，在存儲和使用過程中存在一定的風險，在實驗室使用時，必須進行嚴格管理，實時檢測室內(nèi)環(huán)氧乙烷濃度，定期檢測設備，嚴格遵守操作規(guī)程，切實做到知危險、會預防、會處理。

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