精细化工反应的工艺安全设计措施探讨

唐建业 张 旭 杨 龙 王向新 董文胜 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

化工行业是国民经济的基础行业，精细化工在化工行业中占有重要的地位。精细化工过程往往伴随易燃、易爆、有毒、有害等物料和产品。精细化工工艺的特点是：产品种类多、批量小，原辅料大多有毒且具有易燃易爆性，生产过程多为间歇或半间歇式，工艺流程长、操作工况多变等[1]。

日本中央劳动灾害防止协会调查研究部对间歇式化工过程的事故统计分析结果为：反应22.9%，贮存12.5%，输送10.1%，蒸馏6.7%，混合5.8%。Ciba Geigy 公司1971～1980 年工厂事故统计显示，56%的事故是由反应失控或近于失控造成的[2]。反应失控是精细化工发生事故的主要原因。反应失控的主要原因是热累积，精细化工大多数反应是放热反应，在反应温度过高，散热不良甚至冷却失效的情况下，反应釜内物料处于类似绝热的环境，这部分热量无法散失到界外，只能不断给自身加热，加速反应热的生成，形成恶性循环。

精细化工反应安全设计是一个复杂的系统工程，与设计、施工、材料、管理、操作等各方面相关，反应釜是最常见的进行化学反应的设备，本文从工艺设计的角度探讨精细化工反应设计过程中的注意要点和措施。

1.1 介质特性研究

精细化工反应涉及物料种类多、性质差异大。设计前期应充分了解原材料、中间体和产品的性质，这些性质通常包括：闪点、燃点、自燃点、熔点或凝固点、沸点、饱和蒸气压、溶解度、爆炸极限、热稳定性、毒性、腐蚀性、空气中的允许浓度等。应根据物料的性质指导工艺设计，并制定必要的防护措施、中毒的急救措施和安全生产措施。

1.2 物料热反应性研究

精细化工生产的主要安全风险来自于工艺反应的热风险。设计时应对反应安全风险进行评估，对反应中涉及的原料、中间物料、产品等化学品进行热稳定测试，对化学反应过程开展热力学和动力学分析，进行反应风险评估[3]。

根据反应热、绝热温升等参数评估反应的危险等级，根据最大反应速率到达时间等参数评估反应失控的可能性，结合相关反应温度参数进行多因素危险度评估，确定反应工艺危险度等级。根据危险等级确定对应的设计方案。

反应风险评估是一门复杂的学科，需要充分认识反应的动力学和热力学，均相反应与非均相反应，自催化反应等。工艺危险度是风险评估的工具，帮助定量风险，并基于风险选用适用的安全措施才是化学反应风险评估的根本，固相反应和气固反应需要用不同的方法来评估。

2.1 进料控制

如果投料顺序颠倒、投料速度过快，有可能造成反应温度异常升高，可能使反应飞温，引起火灾或爆炸事故；
在设计时，可通过流量计和调节阀控制进料流量，并设计为自动按比例控制进料，进料流量设置报警和联锁。必要时，可设置顺控程序来实现自动投料，防止人为失误而引起投料顺序颠倒、投料速度过快等事故。某典型的反应器进料比例控制见图1。

图1 反应器进料比例控制示意图

2.2 电机使用应急电源供电

反应系统的搅拌、冷却外循环泵等用电设备的用电可靠性对于反应安全也至关重要。停止搅拌或搅拌失效可能造成热累积，是非常危险的。一旦搅拌再次开动，可能突然引发局部激烈反应，瞬间释放大量的热量，引起爆炸事故；
冷却外循环泵停止，可能引起移热不及时，造成反应超温超压，从而发生安全事故。因此，反应部分的关键用电设备应设置应急电源供电，保证供电的可靠性，减小事故发生的可能性。

2.3 事故紧急切断

当反应失控或反应器超温、超压时，应设置紧急切断。根据具体情况，应自动切断可能导致危险恶化的进出生产装置的物料，以保证系统没有过多的热量输入，防止事态进一步恶化。反应器进料紧急切断示意见图2。

图2 反应器进料紧急切断示意图

2.4 反应釜温度和压力联锁

反应釜的温度和压力是最为敏感和直接的参数，应设置温度和压力检测报警和联锁。联锁切断进料和热源，必要时打开紧急泄放阀。可设置多个温度计和压力表，比如反应釜不同位置的多点温度测量。反应器温度或压力报警联锁示意见图3。

图3 反应器温度或压力报警联锁示意图

3.1 安全泄压装置

安全泄压通常有安全阀、爆破片等。在非正常条件下控制措施失效时，可通过安全阀和爆破片来泄压或降温，避免压力设备本体发生爆炸，保证设备和管道正常工作，防止发生意外。

根据实际介质特性和工况，可单独使用安全阀或爆破片，也可将爆破片与安全阀组合使用，通常有三种组合方式：爆破片串联在安全阀入口侧、爆破片串联在安全阀出口侧、爆破片和安全阀并联，详见图4。

图4 反应器爆破片和安全阀不同组合方式

3.2 紧急冷却

在发生失控时，使用紧急冷却代替正常冷却。一般需设置一个独立的冷却系统，通过反应器的夹套或盘管引入冷却介质。要注意：紧急冷却后的反应物料温度不得低于其凝固点，还要保证反应器的良好搅拌，否则会降低传热，造成严重后果。若搅拌器失效，则还应考虑在反应器底部通入氮气，帮助物料混合。

3.3 抑制减缓

通过喷嘴或用氮气向反应物料喷射少量抑制剂，减缓或终止失控的反应。为了使抑制剂快速分散、均匀分布，必须确保有效的搅拌。抑制剂的选择与反应过程有关。例如，自由基聚合反应选用自由基清除剂（阻聚剂）；
催化反应选用催化剂失效剂；
对于氯或酸性混合物体系，可以用碱性物质中和。

3.4 淬灭或浇灌

大量惰性的和冷的淬灭剂浇灌反应物料，可以起到骤冷和稀释作用，通过降低温度和浓度来减缓或终止失控反应。水因其便宜、易得和高比热，而且使用安全，是常用的淬灭剂。在高寒地区室外使用时，应加防冻液，不宜用伴热防冻。对于与水会发生放热反应的情况，如磺化反应，应使用冷硫酸作淬灭剂。对于热效应很大的情况，可使用液氮或干冰。淬灭液槽应设置在反应器上方，一旦开启阀门，淬灭剂藉重力流入反应器，浇灌反应物料。采用抑制和淬灭措施，反应器设计时必须留出空余容积。

3.5 倾泻

倾泻是指在反应失控时将反应物料全部转移到盛有淬灭剂或/和抑制剂的倾泻槽，可保护反应器。倾泻槽安装在反应器下方，反应物料利用重力通过反应器底部阀门排出。

3.6 控制减压

这项措施不同于紧急泄放，是在不采用外部冷却的情况下，利用控制减压使物料蒸发冷却，降低反应温度。

精细化工反应危险性高，在设计时：从介质特性研究、热反应性研究、进料控制、应急电源供电、事故紧急切断、反应釜温度和压力联锁等方面进行考虑；
采用紧急冷却、抑制减缓、淬灭或浇灌、倾泻、控制减压等措施来防止事故的发生或降低事故危害。

关于精细化工反应的设计，可从以下几个方面开展进一步研究和优化：

（1）精细化工反应种类多，反应复杂，应从工艺过程角度首先考虑开发连续化工艺。

（2）生产装置连续化的同时，应充分考虑监测、措施启动和产生效果所需要的时间；
应向控制保障系统自动化的方向发展，以实现生产远程自动化控制和操作系统的智能化。

（3）随着精细化工反应产能不断放大，需要操作人员具有现代化学工艺理论知识与技能、高度的安全生产意识和责任感，保证精细化工生产装置的科学、安全和熟练的操作控制，才能实现装置的安全运行。

（4）精细化工反应应重视HAZOP 及LOPA 等分析及安全功能评定，确定是否设置安全仪表系统（SIS）及安全危险性等级（SIL），以提高系统的安全可靠性。

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