安全评价环氧乙烷／乙二醇装置氧化单元

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  安全评价环氧乙烷／乙二醇装置氧化单元

   从70年代至今我国已从国外引进了十几套环氧乙烷（EO）/乙醇（EG）装置，该装置是以乙烯和氧气为主要原料生产基本有机合成产品的重要原料环氧乙烷和乙二醇。其中环氧乙烷（EO）生产工艺是在混合气体的爆炸极限区边缘控制操作，在较高压力和温度下进行强放热的化学反应，所用原料和产品都具有易燃、易爆和有毒有害，极易发生火灾和爆炸事故。关于这一类事故国内外都曾有过多次的报道。

   本文采用道化学公司火灾爆炸危险指数评价法，对茂名石化乙烯公司EO/EG装置氧化区域的最终危险度进行分析，确定其安全等级和需要进一步采取的措施。



   美国道（DOW）化学公司火灾爆炸危险指数评价方法是以财产经济损失的大小和影响范围来度量安全事故的危险程度，被认为是一种科学的评价方法，成为国内外石油化工企业进行风险评价的重要方法。该评价法的核心是利用生产装置单元内的物质、设备、物料量等已有数据，结合生产工艺过程特点，通过推论、计算、查阅图表等手段，求出生产装置单元的火灾爆炸危险性，以及发生事故造成的损失，分析出事故影响区域范围。采取安全措施尽可能减小事故频率和经济损失。

   评价程序具体步骤如图1。



   EO/EG装置氧化单元的原料和半产品均为气相和液相的易燃、易爆、有毒有害物质。乙烯（99.95%）和氧气（99.5%）按一定比例在银催化剂作用下，在220~260℃，压力1.65Mpa气相状态下反应生成环氧乙烷，其副反应为乙烯与氧气反应生成二氧化碳与水，副反应的放热是主反应的十倍之多，所以如副反应控制不好，将使整个反应系统出现超温超压，以致于爆炸。



   1 100#单元火灾爆炸指数F&EI的计算

   1.1 重要物质的选取

   

   图1 火灾、爆炸危险指数评价程序

   100#单元选取的重要物质为乙烯、环氧乙烷和甲烷三种，其主要理化性质见表1。

   表1 EO/EG装置主要物质的理化性质
   

   1.2 物质系数MF的求取

   物质系数MF值由物质可燃性Nf和化学活泼性Nr求得。查化工安全技术手册附录得到100#的3种主要物质系数MF为：乙烯：MF=24，环氧乙烷：MF=29，甲烷：MF=21。此三种物质为混合物，且环氧乙烷浓度最低，故取MF=24。另按美国防火协会（MFPA）规定，Nf=1，Nr=2，故MF=24。

   1.3 一般工艺危险系数F1的取值

   （a）基本系数1.00。

   （b）根据100#单元化学反应方程式可知，乙烯和氧气发生强放热反应，因此取放热反应系数为1.00。

   （c）由于100#无吸热反应，故吸热反应系数0。

   （d）由于采用先进工艺，物料处理与输送都是在连续密闭系统进行，故取值0.25。

   （e）由于100#无封闭式或室内工艺单元，故取值为0。

   （f）100#单元区域面积约为600平方米，周围通道设计很好，取通道系数为0.20。

   （g）由于100#皆为气相，故针对易燃、可燃液体溢出的评估项“排放和泄漏控制”取值为0。

   由上述7项之和得出100#单元一般工艺危险系数F1：

   F1=基本系数+（a）+（b）+（c）+（d）+（e）+（f）+（g）

    =1.00+1.00+0+0.25+0+0.20+=2.45

   1.4 特殊工艺危险系数F2的取值

   （a）基本系数取1.00。

   （b）毒性物质项由于100#主要物质为乙烯、甲烷，而两者的Nh皆为1，按公式Nh×0.2故此项取值为0.2。

   （c）由于100#无负压操作，故负压操作项取值为0。

   （d）由于100#氧化反应是在接近爆炸极限区内进行，易燃范围内及接近易燃范围的操作项取值0.8。

   （e）100#氧化反应为气相反应，无粉尘爆炸危险性，故取值为0。

   （f）100#氧化反应在1.65Mpa、220~260℃下进行，经查道化学公司安全评价压力危险系数图可知压力危险系数为0.45。

   （g）100#单元在高温高压下进行，故低温危险系数为0。

   （h）100#单元内可燃物料量以EO反应器及相邻换热器及管线等内部容积存量为基准，折算空间体积为150m3。气体压力1.65Mpa、温度220~260℃。在循环气中乙烯占25%（v）、甲烷占60%（v）。由表1数据，经计算得知单元内可燃物料的总燃烧热值为：

   41×1.68×104+0.889×4.04×104=59.6（GJ）

   查道化学工艺中总能量危险系数图可知100#物质量及燃烧热的危险系数为0.10。

   （i）由于EO具有强氧化性，副产物CO2对钢材具有腐蚀性，故腐蚀与磨蚀危险系数取为0.20。

   （j）EO具有的强氧化性同样对机泵的密封件易产生腐蚀，造成泄漏，故泄漏危险系数取0.30。

   （k）本单元无使用明火设备，故使用明火危险系数为0。

   （l）本单元无热油热交换系统，故热油热交换危险系数取值为0。

   （m）根据道化学公司安全评价标准，本单元主压缩机K-201功率为3050kW，故转动设备危险系数取值为0.50。

   由上述几项之和可知特殊危险系数F2为：

   F2=（a）+（b）+（c）+…+（l）+（m）=3.55

   由此

   F2=F1×2=2.45×3.55=8.7

   故火灾爆炸危险指数F&EI为：

   F&EI=F3×MF=8.7×24=209

   2 100#单元安全设施修正系数C的计算

   100#单元的安全稳定生产是整个EO/EG装置的关键，为了确保安全防止事故发生，本单元内设计了多重安全保护设施和消防设施，本单元安全设施修正系数从工艺控制措施、危险物质隔离和防火措施等方面求取。

   2.1 工艺控制措施

   （a）设有应急电源，取修正系数0.98。

   （b）反应器R-101出口设有E-012急冷器，取修正系数0.98。

   （c）R-101反应器上设有防爆膜，修正系数为0.98。

   （d）反应器R-101进出口，各单组分进料都设有事故紧急切断阀，修正系数取0.96。

   （e）采用TDC-3000集散控制系统，修正系数为0.93。

   （f）本单元设有高压氮气保护装置，一旦出现事故或是事故前兆，高压氮气迅速进入系统置换、稀释危险物料。修正系数取0.94。

   （g）操作工有严格的操作纪律和操作规程，修正系数取0.92。

   （h）没有进行化学活泼性物质检查，修正系数取为1。

   （i）采取了“如果…怎么办”的危险分析及事故处理预案，修正系数取0.96。

   由上述几项得知：C1=（a）×（b）×（c）×（d）×（e）×（f）×（g）×（h）×（i）=0.698

   2.2 危险物料隔离

   （a）本单元设有遥控阀，修正系数为0.96。

   （b）设有切断、紧急排空装置，修正系数取0.97。

   （c）由于单元为气相，故液体排放系统修正系数取1。

   （d）设有完整的一系列联锁系统，修正系数0.98。

   由此：C2=（a）×（b）×（c）×（d）=0.913

   2.3 防火措施

   （a）单元内设有可燃气及EO泄漏检测器，修正系数0.96。

   （b）单元整体为钢质结构且支柱均采用防火涂层，修正系数取值为0.96。

   （c）单元周围有完整的消防供水系统，修正系数0.94。

   （d）由于混合站、氧气进料手阀等处设置了防爆墙，故修正系数取值为0.91。

   （e）100#单元区设有水喷淋灭火系统，修正系数取0.91。

   （f）未设置水幕隔离保护系统，故修正系数取1。

   （g）本单元设有泡沫枪等泡沫灭火系统，由于是手动控制而非全自动泡沫喷射系统，故修正系数取0.94。

   （h）本单元设有12处手提式或移动式灭火器，补偿系数0.93。

   （i）单元内全部电缆线均予屏蔽，修正系数0.96。

   100#单元防火措施系统C3=（a）×（b）×…×（h）×（i）=0.60

   100#单元安全设施修正系数C：

   C=C1×C2×C3

    =0.382

   故修正后火灾爆炸危险指数F&EIˊ值为：

   C×F&EI=0.382×209=79.84

   3 100#单元危害系数的求取

   由道化学公司火灾危险指数评价法《单元危害系数计算图》，查得100#单元危害系数值为0.822。

   4 100#单元火灾爆炸影响区域（半径）的确定

   由道化学公司火灾爆炸危险指数评价法《影响区域（半径）计算图》，查得100#单元火灾爆炸影响区域（半径）为35.0m。

   5 100#单元最大可能财产损失MPPD（基本）的计算

   100#单元总投资约0.8亿元人民币，扣除灾害中不受损失部分，则基本财产损失为5500万元。

   则100#单元最大可能财产损失MPPD（基本）的计算

   MPPD（基本）=5500×0.822=4521（万元）

   6 100#单元实际最大可能性财产损失MPPD（实际）的计算

   MPPD（实际）=MPPD（基本）×C

    =4521×0.382=1727（万元）

   7 100#单元最大可能停产日MPDO的计算

   由道氏火灾爆炸危险指数评价法《最大可能损失日计算图》，查得：

   100#单元损失工作日数MPDO=35（天）

   8 100#单元最大可能停产损失BI的计算

   100#氧化反应器产环氧乙烷折算为乙二醇后，日产300吨，根据市场行情，每吨乙二醇价值0.6万元，EO/EG装置最大可能停产损失值BI：

   BI=MPDO×0.7×300×0.6=4410（万元）

   式中，0.7为固定成本和利润。



   道化学公司火灾爆炸指数评价法确定的生产装置可以接受的风险程度的标准是单元实际最大可能财产损失值在200万美元以下，如果超过了400万美元，则要求采取措施降低危险。

   根据道化学公司火灾爆炸指数评价法的标准衡量EO/EG装置安全评价结果，氧化单元的实际最大可能财产损失都接近200万美元（以现时汇率），在安全范围之内，所以现役EO/EG装置100#氧化单元是能够安全运行的。

   从硬件上讲，该装置的安全性是可靠的。但道化学火灾爆炸指数评价法对人员未作要求，由于使用了大量先进的仪表、计算机等，此类先进的设备、设施的维护保养工作显得特别重要，单有硬件上的安全是不够的，要保证装置的安全运行，人员素质必须跟得上才行。

   另外，道化学公司的火灾爆炸指数评价法最终是以美元计算的，与国内使用人民币计算有一定的区别，其价值计算应根据中国的实际情况来运作，对此最好能确定一个适合中国国情的标准将更有利于这一先进的危险评估方法的应用。