环氧乙烷（乙烯工业中）生产系统安全评价

peonutpedro

  环氧乙烷（乙烯工业中）生产系统安全评价

    运用道氏火灾、爆炸危险指数评价方法对抚顺乙烯化工厂环氧乙烷生产系统进行安全评价，并对该系统的危险因素进行辨识及提出整改措施。

    环氧乙烷（EO）是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯的重要有机化工产品，除主要用于生产乙二醇（EG）外，还大量用于生产非离子型表面活性剂、乙二醇醚等。EO的工业生产方法有两种，即氯醇法和直接氧化法。目前我国几乎全部采用以乙烯和氧气为主要原料的直接氧化法。由于EO生产系统中的工艺设备大部分具有易燃易爆、有毒有害、高温高压、深冷低温等特点，生产的安全问题尤其重要。本文运用道氏火灾、爆炸危险指数评价（以下简称道法）对抚顺乙烯化工厂EO生产系统各工艺单元进行安全评价，同时根据评价结果提出相应的安全预防措施和建议。

   1道法

    道法是由美国道（DOW）化学公司于1964年首先提出的，用于评估特定工艺过程最大潜在损失范围的一种工具。它是利用工艺过程的物质、工艺、设备、物料量等数据，通过定量分析的方法，对生产装置进行火灾、爆炸危险性评价并预测事故可能导致的实际危害和停产损失。该方法的评价过程主要包括：（1）必要资料的准备；（2）评价单元的划分；（3）重要物质的选取；（4）物质系数（MF）的确定；（5）一般工艺危险性系数（F1）的求取；（6）特殊工艺危险性系数（F2）的求取；（7）火灾、爆炸危险指数（F&EI）的求取；（8）安全措施补偿系数（C）的求取；（9）危害系数(DF)的确定；（10）暴露半径（R）的计算；（11）暴露区域面积（S）的计算；（12）暴露区域内财产价值的估计；（13）基本最大可能财产损失（基本MPPD）的计算；（14）实际最大可能财产损失（实际MPPD）的计算；（15）最大可能工作日损失（MPPO）的计算；（16）停产损失（BI）的计算等。

   2EO生产系统概况

    抚顺乙烯化工厂EO生产系统于1991年由美国成套引进，年操作时间为7650h，纯EO产品年产量为5万t。EO生产系统流程如图1所示。来自储罐区的乙烯和空气分离塔分离出的O2经M101混合器充分混合后进入该系统的中心设备R101反应器，在R101反应器内，C2H4和O2按一定比例，在甲烷作致稳剂及银作催化剂的条件下发生氧化反应生成EO。为了得到高纯度的EO产品，首先须将R101反应器制得的EO水溶液（58.36％）送至吸收塔脱除副产品二氧化碳，随后进入EO精制塔进行汽提精制，将EO水溶液中的EO浓度提高至99.99％，最后送入EO成品储罐储存。

   

   1- M101混合器；2-R101反应器；3-CO2吸收塔；4-EO精制塔；5-EO成品储罐

   图1EO生产系统流程图

   3 EO生产系统安全评价

   3.1资料准备

    （1）EO生产系统《工艺设备成本表》；（2）《化工安全技术手册》；（3）F&EI计算表。

   3.2评价单元划分

    按照装置生产工艺特点，系统可自然划分为M101I混合器单元、R101反应器单元、CO2吸收单元、EO精制单元和EO成品储存单元。

   3.3M101混合器单元安全评价

   3.3.1单元内重要物质的选取

    本单元混合气体中主要包含C2H4和O22种成分，由于其中C2H4含量明显偏高，所以选取本单元的重要物质为C2H4。

   3.3.2单元内MF的确定

    查《化工安全技术手册》附录得出C2H4的MF值为24，又因为C2H4的闪点为-136℃，低于60℃，所以无需进行温度修正。

   3.3.3单元内F1的求取

    F1求取过程包括：（1）基本系数取1.00；（2）因为M101混合器运作过程是在容器内进行，属于对可燃气体C2H4及助燃气体O2的操作，且操作温度远在C2H4沸点之上；又因为被处理的C2H4含量大于4050kg，所以密闭反应附加系数取0.90；（3）因为M101混合器属于一次较危险的装置，故其一旦泄漏失火，所以泄漏控制附加系统取0.50。

    由上述3项得出：F1=基本系数+（2）+（3）＝2.40。

   3.3.4 单元内F2的求取

    F2的求取过程包括：（1）基本系数取1.00；（2）因为C2H4属于短期接触即可引起刺激、致人轻微伤害的物质，故其综合毒性（Nh）取1.00，所以毒性物质附加系数取0.20；（3）因为来自空气分离塔的氮气（N2主要用于M101混合器的停车吹扫，在吹扫过程中可使C2H4一直处于燃烧范围内，所以燃烧范围附加系数取0.80；（5）因为M101混合器设计压力为1700kPa（表压），正常操作压力为1600kPa（表压），释放装置设定压力为2000kPa（表压），则由道法中《闪点低于60℃的易燃和可燃液体泄压阀设定压力表》得操作压力附加系数取0.48，设定压力系数取0.53，压力调整系数为0.48/0.53＝0.90。所以本单元实际燃烧范围附加系数为0.48×0.90＝0.43；（6）M101混合器中C2H4物料量为29667kg，C2H4的燃烧热为20.8×103BTU/1b（合48.3kJ/kg），则本单元内总能量E为29667×45.8×103=1.36×109英热（1.4×109kJ），所以由道法中《物质燃烧附加系数图》得本单元物质量附加系数为1.50；（7）因为M101混合器中的物质腐蚀速率（包括点腐蚀和局部腐蚀）小于0.127mm/a，所以本单元腐蚀附加系数取0.10；（8）因为M101混合器的泵和压盖密封处可能产生轻微泄漏，所以本单元泄漏附加系数取0.10。

    由上述8项得出：F2=基本系数+（2）+（3）+（4）+（5）+（6）+（7）+（8）＝4.43。

   3.3.5 单元内工艺危险性系数（F3）和F&EI的求取

    由F1和F2得出：F3=F1×F2＝10.60。因为F3的值大于8.0，所以在计算过程中取F3=8.0。由F3和MF得出：F&EI＝F3×MF＝8.0×24＝192。

   3.36单元内C的求取

    C的求取应从工艺控制措施（C1），危险物质隔离措施（C2）和防火措施（C3）等方面考虑。

    C1的求取过程包括：（1）本单元采用防爆膜和泄爆口防止设备发生意外事故，取修正系数为0.98；（2）本单元部分振动仪可使设备停车，取修正系数为0.96；（3）本单元采用了关键现场数据输入冗余技术，取修正系数为0.93；（4）本单元有足够的空间容量并能自动吹扫整个单元。取修正系数为0.94；（5）本单元操作采用DCS控制系统，取修正系数为0.93；（6）本单元采用不定期活性化学物质检查，取修正系数0.98；（7）本单元内工作人员定期开展工艺、物质变更的审理管理，取修正系数为0.98。

    由上述各项得出：C1=0.98×0.96×0.93×0.94×0.93×0.98×0.98＝0.73。

    C2的求取过程包括：（1）本单元备有遥控切断阀，以便在紧急情况下迅速将容器及主要输送管线隔离，则修正系数取0.96；（2）本单元有备用贮槽（有适当的冷却和通风装置），能安全地直接接受反应原料气体，则修正系数取0.98；（3）本单元装有联锁装置，用来避免出现错误的物料流向以及由此引发的不需要反应，则修正系数取0.98。

    由上述各项得出：C2=0.96×0.98×0.98＝0.92。

    C3的求取过程包括：（1）本单元装有可燃性气体检测器，但该检测器只能起到报警作用，并不能使保护系统动作，则修正系数取0.96；（2）本单元所有承重钢结构均采有防火涂层涂覆，且涂覆高度均在5m以上，则修正系数取0.98；本单元消防水供应压力低于690kPa（表压），则修正系数取0.97；（3）本单元周围设置了防爆墙，可以在一定程度上防止意外事故的发生。则修正系数取0.91；（4）本单元装有远距离手动控制标准泡沫喷洒系统，则修正系数取0.94；（5）本单元装有具有泡沫喷射能力的水枪，则修正系数取0.93；（6）M101混合器外层金属上涂有耐火涂料，则修正系数取0.98。

    由上述各项得出：C3=0.98×0.98×0.97×0.91×0.94×0.93×0.98＝0.73。

    综合C1、C2和C3得出：C＝C1×C2×C3＝0.49。由此得出修正后F&EI的值为C×F&EI＝94。

   3.37单元内DF的确定

    结合MF和F3的值，由道法中《单元危害系数计算图》查得：DF＝0.87。

   3.38单元内R和S的计算

    由道法中《影响区域（半径）计算图》查得：R＝52m。由R得出：S＝πR2＝8491m2。

   3.3.9单元内基本MPPD的计算

    由EO生产系统《工艺设备成本表》可知本单元总投资额为4700万元人民币，扣除灾害中不受损失部分，则基本财产损失为3300万元，由引得出：基本MPPD＝3300×DF＝2871万元。

   3.3.10单元内实际MPPD的计算

    由基本MPPD和C得出：实际MPPD＝基本MPPD×C＝1407万元。

   3.3.11单元内MPDO的计算

    结合实际MPPD的值，由道法中《最大可能损失日计算图》查得：MPDO＝28d。

   3.3.12单元内BI的计算

    M101混合器能否正常运行，将直接影响到整个EO生产系统的经济效益，因此本单元的BI值应通过整个系统最终的纯EO产量来求取。该系统纯EO日产量为140t，根据市场行情，每吨纯EO价格为0.72万元（2003年12月市场报价）。由此得出：BI＝MPDO×0.7×140×0.72＝1976万元（式中，0.7为固定成本和利润）。

    EO生产系统中R101反应器单元、CO2吸收单元、EO精制单元和EO成品储存单元安全评价过程省略。EO生产系统各单元安全评价结果见表1。

    表1 EO生产系统各单元安全评价结果
   

   4结论及整改措施

    道法规定：如果被评价单元的实际MPPD在200万美元以下，则表明该单元可以安全运行；如果被评价单元的实际MPPD超过了400万美元，则必须采取相应的安全措施后方可继续运行。根据以上标准来衡量EO生产系统各单元的评价结果可知，该系统5个评价单元的实际MPPD均在200万美元以下（以现时汇率），属于安全范围内，所以现役EO生产系统从理论上讲是能够安全运行的。然而，为使该系统内事故发生的可能性降至最低，经过分析得出以下整改措施：

    （1）切实落实各项安全生产管理制度，加强工艺纪律、操作纪律，加强现场的巡回检查，以便及时发现、处理各种可能引起火灾爆炸事故的不安全因素。

    （2）为防止与混合器、反应器相连的第一道阀门、法兰和垫片因质量或其他原因发生泄漏，在设计时应提高一个压力等级。

    （3）由于EO属于有毒有害物质，在车间内毒性危害较大的单元应增强防护措施，尽量避免工作人员长时间在此类单元作业。

    （4）为预防精制塔EO泄漏而发生的燃烧爆炸事故，应在其底部增设1个EO浓度自动报警器，加强对EO泄漏的监控报警。此外，罐区的工艺设备报警联锁装置必须投入运行并保证完好。

    （5）由于冬季气温较低，输水管道容易冻凝，消火栓不宜采用地上式，应改为地下式。

    （6）对低温条件下的工作人员采取相应的保护措施。
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