易立明，易 凡

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南化工設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410007）

1 氯乙烯合成工段流程說明

氯化氫氣體經(jīng)冷卻除濕后與乙炔氣通過分子比調(diào)節(jié)一起送至混合器，在混合器中充分混合后，先后經(jīng)冷凍干燥后進(jìn)入混合氣體預(yù)熱器。在預(yù)熱器中與轉(zhuǎn)化器出來的熱水換熱，預(yù)熱到85℃左右，送入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，混合氣在催化劑HgCl2（活性炭為載體）的作用下，進(jìn)行氣相催化加成反應(yīng)，生成VCM氣體和少量副產(chǎn)物1.1-二氯乙烷、乙醛等。

化學(xué)反應(yīng)：

主反應(yīng)：C2H2+HCl →C2H3C1

副反應(yīng)：C2H2+H2O →C2H4O

轉(zhuǎn)化反應(yīng)器分兩組布置，前一組裝低活性觸媒（從第二組換下來的），第二組裝新觸媒，混合氣經(jīng)第一組轉(zhuǎn)化器反應(yīng)后約70%的乙炔轉(zhuǎn)化為VCM 氣體，剩下的經(jīng)第二組轉(zhuǎn)化器的高活性觸媒層，可使氣炔的總轉(zhuǎn)化率＞95%。反應(yīng)溫度控制在130～180℃，反應(yīng)熱通過95℃左右的循環(huán)熱水移出。

2 危險(xiǎn)化工工藝辨識

根據(jù)國家安全監(jiān)管總局《關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2009〕116號）、《關(guān)于公布第二批重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄和調(diào)整首批重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝中部分典型工藝的通知》安監(jiān)總管三〔2013〕3號，危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)涉及的高危工藝是指光氣及光氣化、電解、硝化、氯化、氟化、氨化、磺化、加氫、重氮化、氧化、過氧化、裂解、聚合、氨基化、烷基化等具有較高危險(xiǎn)性的生產(chǎn)工藝。本項(xiàng)目乙炔和氯化氫加成生產(chǎn)氯乙烯工藝屬于需重點(diǎn)監(jiān)管的“氯化”危險(xiǎn)化工工藝范疇。

3 采用HAZOP進(jìn)行安全性分析

采用HAZOP 方法分析合成轉(zhuǎn)化器的安全性，根據(jù)同類工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，合成轉(zhuǎn)化器存在超溫事件，所以選取合成轉(zhuǎn)化器超溫事件作為研究對象。

VCM 的合成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了控制轉(zhuǎn)化器反應(yīng)溫度，采用外循環(huán)移熱工藝，當(dāng)冷卻能力下降時(shí)，反應(yīng)溫度會增加，從而導(dǎo)致反應(yīng)速度加快，轉(zhuǎn)化器壓力增加。若轉(zhuǎn)化器內(nèi)壓力超過轉(zhuǎn)化器的承受能力，就會發(fā)生物理爆炸并燒壞反應(yīng)觸媒。該工藝反應(yīng)安全性主要取決于溫度的控制，而溫度又與冷卻水流量有關(guān)，因此，冷卻水流量的控制至關(guān)重要，選取冷卻水進(jìn)口管路為研究對象，以冷卻水流量為關(guān)鍵詞進(jìn)行HAZOP分析，結(jié)果見表1所示，LOPA 定級見表2。

4 工藝過程分析

4.1 傳統(tǒng)工藝流程

國內(nèi)現(xiàn)有氯乙烯合成反應(yīng)工藝流程見圖1。

圖1 國內(nèi)現(xiàn)有氯乙烯合成反應(yīng)器工藝傳統(tǒng)流程

物料進(jìn)出分別設(shè)置手動調(diào)節(jié)蝶閥，用于正常生產(chǎn)時(shí)物料的偏流調(diào)整，閥門始終處于打開狀態(tài)；以及離線時(shí)與系統(tǒng)的切斷；熱水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，正常生產(chǎn)時(shí)只需開DN25的補(bǔ)水小閥，DN80閥門只在開車時(shí)打開，正常情況處關(guān)閉狀態(tài)。

4.2 系統(tǒng)配置能力

以100kt/a 氯乙烯單體設(shè)計(jì)能力為例計(jì)算說明，單體產(chǎn)量折：210kmol/h。合成轉(zhuǎn)化器共計(jì)30臺，前段16臺，完成70%的轉(zhuǎn)化率，后段14臺完成約30%的轉(zhuǎn)化率，所以前段反應(yīng)任務(wù)大于后段，本改造方案以前段進(jìn)行物料與熱量計(jì)算說明。

前段單臺轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)能力=210×70%/16=9.19kmol/h。

合成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱q=-85 000kJ/kmol。

單臺轉(zhuǎn)化器反應(yīng)熱=-85 000×9.19=-780 938kJ/h

反應(yīng)熱主要依靠蒸發(fā)水蒸氣帶走熱量，查110℃溫度下的水蒸氣汽化潛熱為2 256.146kJ/（kg.℃），計(jì)算得到需補(bǔ)充熱水量約348kg/h（約0.35m3/h），DN25補(bǔ)水管正常流量為（0～2m3/h），所以正常情況完全能滿足生產(chǎn)要求。

依設(shè)計(jì)，正常情況下反應(yīng)溫度控制130～180℃，熱水上水95℃，升溫至110℃并進(jìn)行汽化移熱（保守計(jì)算只考慮汽化潛熱），傳熱對數(shù)平均溫度差Tm=26.8℃，換熱方式為氣-液換熱，傳熱系數(shù)?。篕=20kcal/(kg.℃)，計(jì)算移走反應(yīng)熱所需面積S=350m2，合成轉(zhuǎn)化器面積為865m2，說明設(shè)備有較大的調(diào)節(jié)范圍。

表1 氯乙烯合成反應(yīng)器HAZOP分析

表2 LOPA定級工作表

4.3 安全生產(chǎn)自動化改造方案

4.3.1 過程概述

反應(yīng)器管程（物料側(cè)）的工作壓力最高為0.06MPa，設(shè)計(jì)壓力為0.08MPa。通過HAZOP 分析，轉(zhuǎn)化器的安全運(yùn)行與否主要取決于反應(yīng)熱的移出，由物料、熱量計(jì)算知，裝置配置均有富余，只有當(dāng)熱水給水閥門（DN25閥門）誤關(guān)時(shí)才會出現(xiàn)轉(zhuǎn)化器熱點(diǎn)溫度升高造成反應(yīng)器超壓，產(chǎn)生物理性爆炸。

氯乙烯合成反應(yīng)器溫度計(jì)測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 氯乙烯合成反應(yīng)器溫度計(jì)測點(diǎn)布置

正常生產(chǎn)時(shí)反應(yīng)氣體由上往下、熱水循環(huán)則由下往上，所以轉(zhuǎn)化器觸媒層溫度會從上往下逐漸升高，如圖2示，上點(diǎn)溫度120℃，最下點(diǎn)溫度150℃。

非正常工況，即反應(yīng)器缺水，則隨著設(shè)備內(nèi)熱水的蒸發(fā)，上部空間逐步露出水面，由于液-氣傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氣-氣傳熱系數(shù)，此時(shí)上部溫度將出現(xiàn)高于下部溫度的現(xiàn)象。

4.3.2 安全生產(chǎn)自動化改造方案

將原系統(tǒng)中的DN80給水截止閥改為遠(yuǎn)傳開關(guān)閥，取TI-2408A、TI-2408C（上、中部）進(jìn)入DCS 系統(tǒng)，當(dāng)兩點(diǎn)之一溫度達(dá)180℃時(shí)，聯(lián)鎖打開給水閥門；取TS-2408B、TS-2408D（中、下部）進(jìn)入SIS 系統(tǒng)，當(dāng)兩點(diǎn)之一溫度達(dá)200℃時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)合成工段原料氣（氯化氫與乙炔）。

4.3.3 安全生產(chǎn)自動化改造后工藝流程

安全生產(chǎn)自動化改造后工藝流程見圖3。

圖3 安全生產(chǎn)自動化改造后工藝流程

5 結(jié)論

2020年我國PVC 總產(chǎn)能約25Mt，國內(nèi)PVC 裝置的生產(chǎn)工藝主要分為電石法和乙烯法，其中電石法生產(chǎn)PVC 產(chǎn)能約16.50Mt，行業(yè)內(nèi)保守估計(jì)氯乙烯合成反應(yīng)器現(xiàn)存數(shù)量不少于4 000臺。本文通過對氯乙烯合成反應(yīng)器的反應(yīng)過程、引起超溫原因進(jìn)行了分析，提出了安全生產(chǎn)自動化改造方案。并根據(jù)危險(xiǎn)化工工藝本質(zhì)安全性要求，進(jìn)行了HAZOP 分析，并對SIF 回路完成了SIF 定級，為同行業(yè)氯乙烯合成危險(xiǎn)化工自動化改造提供參考依據(jù)。