曹棟,湯璐

(1.湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計院,湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 化工與材料工程學(xué)院,湖北 武漢 430073)

氯化工藝屬于首批重點監(jiān)管的危險化工工藝[1],因其具有反應(yīng)放熱較劇烈、所用原料大多具有燃爆危險性、常用氯化劑氯氣屬于首批重點監(jiān)管的危險化學(xué)品[2]、生成的氯化氫遇水后腐蝕性強、氯化尾氣可能形成爆炸性混合物等危險特點,國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局制定了氯化工藝的重點監(jiān)控參數(shù)、安全控制基本要求及宜采用的控制方式。這些監(jiān)控參數(shù)、控制要求和控制方式對氯化工藝的工程設(shè)計具有較好的指導(dǎo)意義。但對于特定的氯化工藝,因反應(yīng)原料、反應(yīng)原理、反應(yīng)條件及反應(yīng)設(shè)備等因素的不同,采取的監(jiān)控參數(shù)和控制措施不盡相同。工程設(shè)計中,針對不同特點的氯化工藝,如何選取合適的監(jiān)控參數(shù)、采取有效的控制措施尤為重要。

1 設(shè)計思路

做好氯化工藝的安全控制,關(guān)鍵要掌握該氯化工藝中涉及的物料特性和反應(yīng)特性等信息。其中物料特性包括反應(yīng)原料、中間產(chǎn)物、副產(chǎn)物、催化劑及產(chǎn)品等的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)。反應(yīng)特性包括反應(yīng)原理、反應(yīng)配比、加料方式、操作溫度、操作壓力、反應(yīng)時間、反應(yīng)熱效應(yīng)及工藝危險度等參數(shù)。另外,還要結(jié)合生產(chǎn)方式(連續(xù)生產(chǎn)或間歇生產(chǎn))、生產(chǎn)操作的安全性和便利性等實際情況綜合分析。

工程設(shè)計中,如何獲取上述信息成為氯化工藝安全控制的關(guān)鍵。結(jié)合多年工程設(shè)計經(jīng)驗,可以通過查閱以下文獻獲取相關(guān)信息:《生產(chǎn)工藝安全可靠性論證報告書》《精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險評估報告》《HAZOP分析報告》《SIS系統(tǒng)的安全儀表功能(SIF)確定與安全完整性等級(SIL)定級報告》及《安全預(yù)評價報告》等專項報告。

2 工程實例

現(xiàn)以苯酚與氯氣反應(yīng)生產(chǎn)2,4-二氯苯酚項目為例,結(jié)合該項目的相關(guān)專項報告等文獻資料,介紹該氯化工藝在工程設(shè)計中采取的安全控制措施。該生產(chǎn)工藝屬于成熟的生產(chǎn)工藝,所以未編制《生產(chǎn)工藝安全可靠性論證報告書》。由于各專項報告內(nèi)容較多,文中僅摘錄與氯化工藝相關(guān)的安全控制內(nèi)容。

2.1 2,4-二氯苯酚生產(chǎn)工藝介紹

2.1.1 反應(yīng)原理

苯酚的羥基向苯環(huán)供電,即活化苯環(huán),又由于羥基的供電子使苯環(huán)的鄰、對位電荷密度相對較大,親電取代反應(yīng)新引入基團主要進入羥基的鄰、對位,再對鄰、對位取代產(chǎn)物進一步通入氯氣,在催化劑的作用下且在一定的溫度、壓力下發(fā)生氯氣與苯酚親電取代的氯化反應(yīng),生成一氯苯酚、二氯苯酚及三氯苯酚的混合物。氯化反應(yīng)綜合表現(xiàn)為放熱反應(yīng),反應(yīng)得到的氯化液經(jīng)過精餾分離提純得到2,4-二氯苯酚。

反應(yīng)原料:苯酚、氯氣;

主要反應(yīng)式如下:

副反應(yīng)式如下:

2.1.2 工藝流程簡述

首先向配料釜中一次性加入一定量的苯酚,配料釜夾套中通入熱水,通過熱水升溫并保持溫度40～65 ℃,接著向配料釜中投入定量的固體催化劑和液體催化劑,然后在6～8 h內(nèi)通入定量氯氣。此過程為配料過程,主要是為了提高催化劑活性,該過程涉及氯化反應(yīng)。

再將配料釜的氯化液轉(zhuǎn)入氯化釜中,向氯化釜加入定量苯酚,在45～50 h內(nèi)向釜內(nèi)通入定量氯氣,氯化釜夾套進熱水,保持反應(yīng)溫度40～65 ℃。最后采樣檢測目標(biāo)產(chǎn)物2,4二氯苯酚的含量,當(dāng)含量≥96%時,結(jié)束氯化反應(yīng)。

2.1.3 氯化工藝的判定

根據(jù)氯化工藝的定義[1]:化合物的分子中引入氯原子的反應(yīng),包含氯化反應(yīng)的工藝過程為氯化工藝,主要包括取代氯化、加成氯化、氧氯化等。苯酚與氯氣反應(yīng)生成2,4-二氯苯酚的反應(yīng)為取代氯化反應(yīng),屬于氯化工藝,屬于重點監(jiān)管的危險化工工藝。該過程配料釜和氯化釜中均發(fā)生氯化工藝。

2.2 精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險評估報告

2.2.1 編制評估報告的背景

該項目因為涉及重點監(jiān)管的危險化工工藝——氯化工藝,同時該生產(chǎn)工藝由建設(shè)單位自主研發(fā),為保證工業(yè)化生產(chǎn)的安全性和可靠性,建設(shè)單位委托具備資質(zhì)的單位編制了該項目的《精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險評估報告》。

2.2.2 評估結(jié)論

物質(zhì)分解熱評估:1級;

失控嚴(yán)重度評估:4級;

失控可能性評估:1級;

風(fēng)險矩陣評估:Ⅱ級;

工藝危險度評估:1級。

2.2.3 建議措施

氯化反應(yīng)的工藝危險度為1級,產(chǎn)業(yè)化過程中,應(yīng)配置常規(guī)的自動控制系統(tǒng),對主要反應(yīng)參數(shù)進行集中監(jiān)控及自動調(diào)節(jié)(分布式控制系統(tǒng) DCS或可編程邏輯控制器PLC)。

2.3 HAZOP分析報告

2.3.1 編制HAZOP分析報告的背景

該項目中,氯氣屬于重點監(jiān)管的危險化學(xué)品,氯化反應(yīng)屬于重點監(jiān)管的危險化工工藝,必須在基礎(chǔ)設(shè)計階段開展HAZOP分析[3-4]。

2.3.2 建議措施

根據(jù)HAZOP分析報告,本項目2,4-二氯苯酚生產(chǎn)工藝安全建議措施詳見表1。

表1 2,4-二氯苯酚生產(chǎn)工藝安全建議措施

2.4 SIS系統(tǒng)的安全儀表功能(SIF)確定與安全完整性等級(SIL)定級報告

2.4.1 編制背景

根據(jù)該項目的HAZOP分析報告,需對擬增加的SIS系統(tǒng)進行安全功能SIF分配以及安全完整性等級確定(SIL定級)。

2.4.2 SIL定級匯總

根據(jù)SIL定級報告,本項目2,4-二氯苯酚的SIL定級見表2。

表2 2,4-二氯苯酚SIL定級

2.5 安全預(yù)評價報告

2.5.1 編制背景

本項目儲存危險化學(xué)品液氯,生產(chǎn)經(jīng)營單位應(yīng)當(dāng)按照國家規(guī)定,進行安全預(yù)評價[5-6]。

2.5.2 建議措施

根據(jù)安全預(yù)評價報告,本項目2,4-二氯苯酚的安全建議見表3。

表3 2,4-二氯苯酚安全建議

2.6 管道及儀表流程圖

綜合以上建議措施,該項目配料工序和氯化工序的管道及儀表流程圖詳見圖1和圖2。

圖1 配料工序管道及儀表流程圖

圖2 氯化工序管道及儀表流程圖

2.6.1 配料工序安全控制說明

固體催化劑通過稱重儀表WIAS-0101和切斷閥WXV-0106定量加入配料釜R-0101;液體催化劑通過流量計FIASQ-0105和切斷閥FXV-0109定量加入配料釜R-0101;苯酚通過流量計FIASQ-0104和切斷閥FXV-0108定量加入配料釜R-0101;氯氣通過流量計FICSQ-0103和調(diào)節(jié)閥FV-0101控制通入速度,通過切斷閥XV-0107定量通入配料釜R-0101。

固體催化劑加入后通過配料釜R-0101上設(shè)置的溫度計TICAS-0101和配料釜R-0101夾套熱水調(diào)節(jié)閥TV-0101控制溶解溫度。

配料反應(yīng)過程通過配料釜R-0101上設(shè)置的溫度計TICAS-0101和配料釜R-0101夾套循環(huán)水TV-0102控制反應(yīng)溫度。當(dāng)配料過程溫度過高時,通過溫度計TICAS-0101聯(lián)鎖開啟夾套循環(huán)水切斷閥TXV-0103、聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0107;若溫度進一步上升,通過SIS系統(tǒng)溫度計TIAS-0102聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道SIS切斷閥XZV-0112。

配料反應(yīng)過程壓力過高時,通過配料釜上設(shè)置的壓力表PIAS-0102聯(lián)鎖開啟尾氣管道切斷閥PXV-0101、聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0107;若壓力進一步升高,通過SIS系統(tǒng)壓力表PIAS-0102聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道SIS切斷閥XZV-0112;若壓力還升高,通過尾氣管道爆破片泄放壓力。

為保證配料反應(yīng)過程的循環(huán)水供應(yīng),配料釜夾套循環(huán)水進水管道設(shè)置壓力表PIAS-0101,夾套循環(huán)水回水管道設(shè)置流量開關(guān)FSIA-0102。當(dāng)循環(huán)水進水管道的壓力過低、回水管道流量過低時,聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0107。

為保證配料反應(yīng)過程的溫度均勻,配料釜攪拌電機設(shè)置電流檢測IIAS,電流異常時,聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0107。

配料反應(yīng)結(jié)束后,通過開啟配料釜底部切斷閥XV-0111進行遠(yuǎn)程操作,以減少工人的勞動強度。

2.6.2 氯化工序安全控制說明

配料液通過流量計FIASQ-0204和切斷閥FXV-0203定量加入氯化釜R-0201;苯酚通過流量計FIASQ-0205和切斷閥FXV-0204定量加入氯化釜R-0201;氯氣通過流量計FICSQ-0206和調(diào)節(jié)閥FV-0201控制通入速度,通過切斷閥XV-0205定量通入氯化釜R-0201。

氯化反應(yīng)過程通過氯化釜R-0201上設(shè)置的溫度計TICAS-0201和氯化釜R-0201夾套循環(huán)水TV-0202控制反應(yīng)溫度。當(dāng)氯化反應(yīng)過程溫度過高時,通過溫度計TICAS-0201聯(lián)鎖開啟夾套循環(huán)水切斷閥TXV-0206、聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0205;若溫度進一步上升,通過SIS系統(tǒng)溫度計TIAS-0202聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道SIS切斷閥XZV-0217。

氯化反應(yīng)過程壓力過高時,通過氯化釜上設(shè)置的壓力表PIAS-0202聯(lián)鎖開啟尾氣管道切斷閥PXV-0218、聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0205;若壓力進一步升高,通過SIS系統(tǒng)壓力表PIAS-0202聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道SIS切斷閥XZV-0217;若壓力還升高,通過尾氣管道爆破片泄放壓力。

氯化反應(yīng)過程循環(huán)液冷卻器E-0201出口設(shè)置溫度計TICAS-0203,當(dāng)冷卻器循環(huán)液溫度過高時,聯(lián)鎖開啟冷卻器循環(huán)水切斷閥TXV-0215。

氯化反應(yīng)接近終點時,通過循環(huán)液在線色譜分析儀AIAS-0202,聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0205。

為保證氯化反應(yīng)過程的循環(huán)水供應(yīng),氯化釜夾套循環(huán)水進水管道設(shè)置壓力表PIAS-0201,夾套循環(huán)水回水管道設(shè)置流量開關(guān)FSIA-0205。當(dāng)循環(huán)水進水管道的壓力過低、回水管道流量過低時,聯(lián)鎖關(guān)閉氯氣管道進料切斷閥XV-0205。

氯化反應(yīng)結(jié)束后,通過開啟氯化釜底部切斷閥XV-0210進行遠(yuǎn)程操作,以減少工人的勞動強度。

3 結(jié)論

針對氯化工藝的危險特性,提出了氯化工藝安全控制的設(shè)計思路,并結(jié)合2,4-二氯苯酚工程實例,歸納總結(jié)氯化工藝的安全控制措施。

1)設(shè)計思路:針對具體氯化工藝的不同特點(包括物料的物化特性、反應(yīng)特性和生產(chǎn)操作特性)進行綜合分析,選取合適的監(jiān)控參數(shù)。

2)安全控制措施:氯化反應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化過程中,應(yīng)配置常規(guī)的自動控制系統(tǒng),對主要反應(yīng)參數(shù)進行集中監(jiān)控及自動調(diào)節(jié)(分布式控制系統(tǒng) DCS或可編程邏輯控制器PLC)。

結(jié)合多個工程項目的設(shè)計運用實踐和企業(yè)投產(chǎn)后的信息反饋,驗證了上述設(shè)計思路的可行和控制措施的安全有效,獲得了客戶的認(rèn)可。