聚合反应及高危储罐重点工艺参数的监控

1、聚合工艺和高危储存设施重点参数的监控及安全控制指导意见（试行）无锡市人民政府安委会专家组石油化工综合组2010.7前 言根据国家安监总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录 的通知（安监总管三2009116号）和省安监局关于规范化工 企业自动控制技术改造工作的意见（苏安监2009109号）等文 件精神，受无锡市安监局的委托，由无锡恒禾工程咨询设计有限公司 组织专家编制了聚合工艺和高危储存设施重点参数的监控及安全控 制指导意见，并经市政府安委会专家组石化综合组专家的审定，以 供有关企业和单位在实施聚合工艺和高危储存设施自动控制过程中 参考。由于编制时间比较紧，本指导意见可能会有不完善和欠缺之处

2、， 请及时反馈，以便进一步修改完善。对于新建的聚合工艺生产装置和高危储存设施，在设计和建设阶 段，应落实本指导意见中所提出的有关意见和建议。现有装置和设施 的改造过程中涉及特种设备的，应严格按照特种设备的管理要求统筹 进行。聚合工艺和高危储存设施重点参数的监控及安全控制指导意见（试行）第一部分聚合工艺聚合工艺普遍应用在塑料、合成橡胶、化学纤维、涂料等工业中， 是生产高分子聚合物的主要反应。根据不同的反应机理，聚合工艺可分为 逐步聚合和连锁聚合，连锁聚合中又可分为自由基型聚合、离子（阴离子 或阳离子）型聚合及配位络合聚合。从聚合的方法分又可分为本体法、溶 液法、乳液法、悬浮法等不同的聚合方法。1

3、.1聚合工艺的特点及对安全操作的影响高放热、高粘度是聚合工艺共同的特点。带压操作是许多聚合工艺 的操作条件，少数超高压聚合工艺其反应压力甚至超过250MPa。表1-1常见聚合工艺的温度/压力条件聚合物名称反应温度（C）反应压力（MPa）聚合方法高压聚乙烯150300100350本体聚合中压聚乙烯1002702.07.0溶液聚合低压聚乙烯5090常压3.0溶液聚合聚丙烯50800.31.0溶液聚合聚苯乙烯80200常压0.2本体、悬浮聚合聚氯乙烯40700.81.2本体、悬浮聚合丁苯橡胶5120.11.0乳液、溶液聚合环氧树脂50155常压聚合工艺作为化学反应的一种，也遵循化学反应动力学的基本原

4、理。 反应动力学告诉我们，反应速度是反应物的浓度、反应级数及反应温度的 函数，在反应体系中反应物的浓度越大或反应级数越高或温度越高，反应 速度就越快。在浓度、反应级数一定的情况下，温度对反应速度的敏感程 度，取决于该反应活化能的大小，活化能越大越敏感。如反应温度为 400C，活化能为293KJ/mol，当温度升高9C时反应速度就提高1倍，对 于放热反应而言，也就是说单位时间内反应放出的热量为原来的2倍。 因此对于聚合工艺，控制反应物浓度和温度对反应的安全进行具有非常 重要的意义。从以上反应动力学的原理可知，在聚合工艺中一旦系统的移热速率 跟不上反应的放热速率时，反应温度就会上升，温度上升又会使

5、反应加速， 放热速率加快，放热速度加快使系统的移热速率更加跟不上，反应温度更 加升高这样就形成了恶性循环，直至发生事故。因此反应的强放热是 聚合工艺发生事故的根本原因，生产中的暴聚现象就是这种恶性循环的结 果。暴聚若发生在密闭容器中会引起压力的升高而导致爆炸事故；若发生 在常压容器中，会使反应液出现暴沸而产生冲料现象，当容器的通气口较 小无法及时释放暴沸所产生大量的物料蒸汽时，也会因压力升高而引起爆 炸。由于参加聚合工艺的原料大多为可燃、易燃易爆物质，因此无论是反 应器因超压产生的物理性爆炸还是冲料都极有可能引起火灾或化学爆炸 等后果更为严重的次生事故。聚合工艺过程为反应物分子链长逐渐增长的过

6、程，随着链的不断增长，反应器内物料的粘度不断增大。一方面液体内部的对流传热的作用越 来越弱，也就是液体中心反应热不能及时传递给冷却壁面而造成中心部位 过热。另一方面随着粘度的增大，冷却壁面上物料的滞留层越来越厚，物 料侧的传热膜系数越来越小，致使总传热系数也越来越小，传热速率随之 越来越小，导致因热量不能及时传出而产生超温现象，从而引发事故。因 此，聚合工艺物料的高粘度是使传热恶化的主要原因。1.2聚合工艺安全操作的对策措施1.2.1选择适当的聚合方法及聚合工艺常见的聚合方法有本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合等四种。表1-2四种常用聚合方法的比较聚合方法本体法溶液法乳液法悬浮法引发剂种类

7、油溶性油溶性水溶性油溶性温度调节难稍易，溶剂为载热 体易，水为载热体易，水为载热体分子量调节难，分布宽，分 子量大易，分布窄，分子 量小易，分布宽，分子 量很大难（同本体法）， 分布宽，分子量大反应速度快，初期需低温， 使反应徐徐进行慢，因有溶剂很快，选用乳化剂 使速度加快快，靠水温及搅拌 调节装置情况温度高，要强搅 拌要有溶剂回收，单 体分离及造粒干燥 设备要有水洗，过滤干燥设备聚合物性质高纯度，可直接 成型，混有单体， 可塑性大要精制，溶剂连任 聚合物端部，有色、 聚合物低需除乳化剂，分离 未反应单体易，热 与电稳定性差高纯度，宜于成 型，直接得粒状 物，水洗，干燥易， 可制发泡物，此本

8、体发含单体少实例聚合物溶于单 体聚甲基丙烯酸甲 酯，聚苯乙烯， 聚乙烯基醚，聚 丙烯酸酯中压聚乙烯，聚醋 酸乙烯，聚丁二烯、 聚丙烯酸、乙丙橡 胶丁苯橡胶、丁腊橡 胶、聚氯乙烯、丙 烯腊-丁二烯-苯 乙烯共聚体聚苯乙烯、聚醋酸 乙烯、聚甲基丙烯 酸甲酯、聚丙烯酸 酯聚合物不溶于 单体高压聚乙烯、聚 氯乙烯低压聚乙烯、J基 橡胶、聚异丁烯聚氯乙烯、聚丙烯 腊本体聚合的最大优点是产品纯度高，不需要多少后处理设备，但它 的缺点是转化率增高后粘度很高使流动和传热困难，温度不易控制，容易 发生暴聚。溶液聚合是在溶剂存在条件下进行聚合反应。由于溶剂的存在，物 料的粘度不会太高，有利于物料的流动和传热，同时

9、可以利用溶剂的汽化 将反应热带出反应釜，并经冷凝后回流进反应釜，解决了反应釜容积放大 后带来的反应器单位体积换热面积减小后产生的传热率小的矛盾，但产品 的平均分子量较低。悬浮聚合是单体珠滴分散在水中的本体聚合。每个珠滴均可认为是 一个反应系统。由于珠滴很小，因此反应热只要通过0.20.4毫米的距 离就可传递给周围的水中，再通过水的对流将反应热传到冷却壁面上。由 于水的粘度较小，反应器内的搅拌效果较好，较容易解决传热问题，使反 应温度控制较本体聚合容易得多，反应平稳不易发生暴聚。缺点是生产难 以连续化，另外为了使液滴的大小适宜，需加入分散剂等助剂，必须增加 去杂、分离、干燥等后处理工序。乳液聚合

10、，反应物流动和传热类似悬浮聚合，但由于需要在反应体 系中加入乳化剂等多种助剂，在后处理中又很难除净，产品杂质多，只适 合对产品纯度要求不太高的场合。1.2.2采用计算机进行生产、安全的控制和联锁因为由某一原因引起反应温度失控后，反应温度、反应速度、反应 放热速率将形成一个闭环的正反馈（恶性循环）。恶化不断加速很快就会 发生暴聚、暴沸事故。而操作人员在工作时间内很难保证百分之百地保持 全神贯注，一旦出现疏忽大意很容易产生温度失控，一旦发现温度失控又 要花较多时间去进行阀门等的操作，往往在时间上是来不及的。因此必须 要用计算机系统（DCS、PLC）来实行生产控制和安全联锁。为了防止一套计 算机系统

11、发生故障引起的事故，亦可将安全联锁计算机系统设计为独立的 系统（SIS）。对于聚合工艺应重点监控的工艺参数有：反应釜内的温度、压力， 搅拌器转速以及加入反应器的聚合单体或引发剂的流量，冷却水流量。 1.2.2.1聚合工艺重要工艺参数的监控下面所例举的对重要工艺参数的监测及控制都是指反应条件在设计 允许范围内的控制手段，若条件已超出允许范围，达到不可控的程度，则 应通过安全联锁来保证系统的安全。反应器温度监控图1-1聚合工艺反应器温度控制流程图温度Ttt2十m时间t图1-2聚合工艺温度控制曲线说明：1.本温度控制流程是在反应正常，反应器温度可控的情况下设计的。若 由于种种非正常情况引起反应超温，

12、则需通过安全联锁系统来解决。反应过程中单体或引发剂的量是根据工艺要求定量，连续加入或滴加。控制过程如下：反应物料加入反应器后，由于温度较低，反应无法进行。此时蒸汽调节 阀TV2打开，开始对反应器内物料进行加热TV2的开度根据工艺要求 的升温曲线由计算机自动调节。在加热过程中，TV1始终在关闭状态。当反应器物料温度达到工艺要求的反应起始温度T1时，蒸汽调节阀 TV2关闭，此时反应已开始，随着反应进行，反应器内温度继续升高。当反应器内温度达到工艺要求的反应温度T2时，冷却水调节阀TV1从 关闭状态转入调节状态。通过计算机对其开度的调节使反应温度控制在 工艺要求的反应曲线附近允许范围内，直至反应到达

13、终点（t2）。当反应到达终点（t2）时打开（全开）TV1，使物料温度下降至出料温 度T3时，出料。对于溶液聚合工艺，由于反应热可通过溶剂的蒸发带走，因此反应温度除通过夹套、盘管中的冷却水流量来进行调节外，更大程度上可通过 回流冷凝器的冷却水的量来进行调节。TV1，TV3除可以同时调节外，更 多的可以进行双程调节，如计算机先可通过TV3进行温度调节，此时TV1 在关闭状态，当TV3开度100%（全开）时反应温度还高于设定值T1 时即TV1开始进行调节，TV1的设定温度T1比T1稍高一些，但必须 在反应温度的允许范围内。反应器的压力监控对于一般的聚合工艺，反应釜的温度与压力是一一对应的，因此 只需

14、控制反应温度在正常范围内，反应压力也就控制在正常范围内。因此 只要在反应釜上设一压力表（或压力传感器）就可以实现反应压力监测了。 如果发现温度正常，但压力超高的异常情况，计算机会自动启动压力安全 联锁系统，使压力降至设备允许的安全范围内。对于反应压力主要来源于工艺压缩机的聚合工艺（如高压聚乙烯 反应）。图1-3聚合工艺压力控制流程图说明：由于考虑到生产过程中的一些不稳定因素以及工艺压缩机使用一段时间 后，其能力的正常下降，设计选用的工艺压缩机其公称能力一般均比工艺要求高10%30%。因此通过计算机调节工艺压缩机系统的旁通调节阀的开度， 就能实现反应器压力的调节。反应过程中单体或引发剂流量的监控

15、对于单体或引发剂利用位差（高位槽）或离心泵加入反应釜的聚合工艺。FT图1-4单体或引发剂流量控制流程图说明：将检测到的流量信号送给计算机，由计算机通过与流量的工艺给定值进 行比较，后发出差值信号，给执行结构一一流量调节阀FV。通过改变 流量调节FV阀的开度，使进入反应器的单体或引发剂的流量符合工艺 对流量的要求。对于单体或引发剂利用计量泵输入反应器的聚合工艺，流量的控制 依靠调节计量泵的输出流量来调节。由于计量泵为精密的柱塞式泵，它的 输出流量是通过改变柱塞的行程或改变柱塞的往复速度（频常）来进行调 整，改变行程是通过手工来实现的；改变柱塞往复频率是通过调频器改变 电动机转速来实现。冷却水流量

16、的监控：冷却水流量对反应温度有着重要的影响，但它不是我们直接需要控制 的指标参数，因此在一般情况下，冷却水流量是不直接控制的，它是通过 反应器温度间接控制的，但有时需要通过知道冷却水是否“断水”或流量 太小来预知反应温度即将失控这一信息，因此，在许多聚合工艺中（尤其 是对温度较敏感的反应），要设置冷却水水流开关或冷却水水量指示。冷却水水流开关图1-5冷却水水流开关流程图说明：图中右边双点划线框内为前面所叙述的反应温度控制的一个方案；FS为 水流开关，当有水流过或没水流过，它发出不同的开关信号，当计算机接 到没水流过的“断水”信号后，立即发出报警，促使操作人员注意，并按 一定的顺序去处理。冷却水

17、流量的指示及控制图1-6反应器温度/冷却水流量串级调节流程图说明：该流程最终要控制的参数是反应器的温度，它与用温度信号直接调节调节阀开度的温度调节系统（如图1-1所示）的区别在于温度信号是通 过改变流量调节系统的给定值从而改变冷却水流量来达到调节温度目 的的。它是一种温度串级调节系统，与温度直接调节系统相比，调节更 稳定，同时在计算机屏上可直接显示冷却水流量参数。聚合工艺反应釜搅拌速率的监控搅拌在聚合工艺中对传热、传质均起到重要作用。搅拌效果的好坏 将直接影响反应是否会产生局部（或全部）过热，是否会产生许多副产物 等等。在反应搅拌浆形式、大小选定的情况下，搅拌转速是直接影响搅拌 效果的唯一指标

18、。因此对搅拌转速的监控，在聚合工艺中尤为重要。在聚合工艺中有恒速和变速搅拌两种形式，恒速搅拌是在整个反应过 程中搅拌转速始终是不变的。变速搅拌是在反应过程中，搅拌转速根据各 反应阶段对搅拌转速的不同要求而变化的搅拌形式。恒速搅拌由于目前搅拌浆多为通过三相异步电动机和固定速比减速器驱动的， 三相异步电动机的转速是基本恒定的（它与同步转速之间的速差随输出力 矩的大小变化而变化，但变化不大），因此一旦电机及减速器确定了，搅 拌转速基本恒定，不需对其进行监测。但聚合工艺到后期粘度较高，容易 引起电机过载，另外也不能排除因机械故障引起电动机的堵转现象。为了 保证电机不因过载或堵转而烧毁，因此电气设计中对

19、电动机都设有过载保 护，如有必要，也可增加对电动机输入电流的监测和报警，以便操作人员 及时发现和处理。变速搅拌变速搅拌多为通过改变电动机的转速来达到改变搅拌速度这一目的 的。改变电动机转速常用的有通过改变电动机的磁场极数及改变输入电动 机动力电源的频率两种形式。采用变极电机调速是有级的，一般为双速; 采用变频电机，在一定范围内可进行无级调速，由于这两种电机都属于异 步电动机，只要级数确定或频率确定后，搅拌转速就基本确定了，由此一 般只需开环控制就可以满足要求了，即控制电机极数或控制电源频率就可 以了，不需要通过测速装置直接测得搅拌转速信号后来调整电动机转速 （即闭环控制），但测量电机电流及过载

20、保护装置也是需要的。若对搅拌速度有很高要求的聚合工艺，则要通过测速/调频的闭环控 制来达到目的。调细罪 L1-I攫*群曾受?图1-7搅拌转速闭环控制流程图说明：图中A表示输入动力电源电流的测量；SE表示转速检测原件；ST表示转速检测信号的变换SICA表示转速（S）、指示（I）、控制（C）、报警（A）、超高（H）、超低（L）料仓静电监控聚合工艺中许多溶剂、单体都属低闪点物料，按规范所有工艺设备、 管道都应设防静电接地，并要求静电接地电阻不大于100Q。料仓当然也 有此接地要求，一般要求定期进行检查，复测接地电阻。对于移动设备如槽车，在工作前必须用防爆静电钳及软导线与接地 极可靠连接，以消除静电。

21、对消除静电要求严格的场合，应使用防爆静接地检查报警系统，该 系统在监测到被测点接地电阻超过允许值时，会发出报警信号，或联锁动 作信号，实现与泵、放料阀等等设备的联锁。可燃气体和有毒气体浓度的监控在工艺装置或储存设施中涉及使用或产生甲类气体或甲、乙A类可 燃液体，或存在高毒物品目录(卫法监发2003142号)中的有害 健康的有毒气体时，均应设置可燃气体或有毒气体浓度检测报警系统，对 该系统的要求，应符合石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范 (GB50493-2009)。8、操作温度高于物料闪点的操作工序对于操作温度高于物料闪点的操作工序，在该温度条件下作业的危 险程度和事故风险大为增加.宜

22、充分考虑到物料在该温度下的危险特性， 建议在安全设施设置和设计时，参照石油化工企业设计防火规范 (GB50160-2008)中3.0.2条的规定执行。1.2.2.2安全控制方面的措施反应釜温度和压力的报警和联锁常压反应或反应压力与反应温度有一一对应关系的聚合工艺。HHHHH反应温度正常反应温度检测图1-8温度联锁流程图反应温度超高超温报警人工判断并处理反应温度继续升高至HH打开紧急冷却系统进水阀TV1反应温度继续超高至HHH切断单体或引发剂进料阀继续反应反应温度继续超高至HHHH打开反应终止剂阀门反应终止图1-9温度联锁逻辑图说明：1.以上两张图仅表示超温安全联锁系统的流程即联锁逻辑，未包括反

23、应 正常时，温度的调节。流程图中的调节阀为温度的调节阀。对于已确定的聚合工艺采用哪一种或哪几种安全联锁措施，应视该反应 的具体情况确定。反应正常进行时，安全联锁装置是不可能起动的，一旦起动，说明装置 的调节系统有故障。因此反应结束或停车后必须对各个调节系统进行检 查，只有当故障排除后方能重新开车。当单体或引发剂为用计量泵送入反应器时，安全系统在关闭TV3前应切 断计量泵的动力电源。反应温度和压力不存在一一对应关系，正常反应是分别用各自相对 独立的调节系统调节的聚合工艺。志皮气虬理毓L*.垣南或牧装置f:H图1-10压力安全联锁流程图图1-11压力安全联锁逻辑图第二部分高危储存设施高危储存设施是

24、指剧毒化学品目录（2003年版）中所列的剧毒化 学品及甲、乙类易燃易爆化学品（含液化气体）以及构成重大危险源的重 点液体储罐。高危储存设施主要的控制参数有液位、温度、压力，对罐区还应按 规范要求设置气体泄漏检测报警及火灾报警系统。2.1高危储存设施及罐区的安全监控、联锁措施2.1.1高危储存设施2.1.1.1高危储存设施的液位监控、联锁利用卸料泵对储罐进行上料的情况图2-1泵卸料储罐的液位控制及联锁说明：1.图中LE表示液位检测，LT表示检测信号的变送，LIAS表示计算机实现液位(L)指示(I)报警(A)联锁开关(S)，H表示高液位；HH表示高高液位。当液面达到高位(H)时，计算机发出报警信号

25、，提醒操作人员去关泵。当报警信号并没有引起操作人员注意，没有及时关泵，液位继续上升 至高高液位(HH)时，计算机发出联锁开关信号，自动将卸料泵关闭， 防止溢料事故发生。利用气体压料对储罐进行上料的情况J 女吭世理:II ,:1 _ !将* 尴亡*州土皿匹1峙1图2-2气体压料储罐的液位控制、联锁说明：1.图中符号的含义同附图2-1液位至高位(H)时，计算机发出报警信号，提醒工作人员关闭气源 的手动阀，使液面不再上升。若操作人员没有及时关手动气源阀引起 储罐液面继续升高至高高位(HH)，计算机发出联锁开关信号，关闭气 源管道上的自动阀(LV)，确保储罐不溢流。气体压料主要的缺点是：被卸罐必须为压

26、力容器；受料储罐由 于液面上升的气相排气排放对环境造成危害的必须通过废气处理系 统或火炬方能排放。通过循环压缩机进行储罐上料的情况图2-3通过循环压缩机上料的储罐液位控制、联锁说明：1.图中符号的含意同附图2-12.计算机报警，联锁过程似附图2-1。不同的仅为HH位，联锁关的不是泵电机，而是循环压缩机电机。当循环压缩机系统设缓冲罐时，联锁开关信号在关断压缩机电机的同 时，还应将进入被卸罐压缩气体关断(图中LV阀联锁切断)，以免缓 冲罐较大时，其中的余压使储罐液面冲过高高位(HH)而发生危险。循环压缩机对储罐上料或卸料一般用于液化气体在罐与罐之间进行移。主要优点是转移速度较快且避免了由于泵的汽蚀

27、原因而将卸料储罐安装位置抬高或将泵安装在地坑中的无奈做法。利用运输工具自备卸料泵对储罐进行上料的情况图2-4利用运输工具自备卸料泵上料的储罐液位控制图2-5利用运输工具自备卸料泵上料的储罐液位控制、联锁说明：对于运输液体化学器的油轮（船），一般船上都自带卸船泵，某些较 大型的液体槽罐车也设置卸车泵。它们的特点是卸料泵的动力均为 车、船自供，泵的启停一般也很难受罐区控制系统的控制。因此贮 罐中液面报警信号只能通过设在卸船码头或卸车台上的声光报警 器，通知车、船上相关的操作人员及时关闭卸料泵（如图2-4）。若条件可按图2-5设置一自动切断阀(LV)及安全回流阀(AV)。在液面 达高位，发出报警信号

28、后，没有引起车、船工作人员的注意，没有 及时关泵情况下，液面继续上升至危险液面(HH)时，由罐区自控系 统切断自动阀(LV)，此时由于卸料泵的压力使安全回流阀AV打开， 泵出的液体化学品回流至船仓或槽车罐中，从而保证储罐不溢料。2.1.1.2高危储存设施的温度监控、联锁1.对于低温储存的储罐图2-6低温储罐的温度监控说明：1.符号：TE、TT分别表示温度检测原件、检测信号变送TICA表示计算机的温度(T)、指示(I)、控制(C)、报警(A)功 能。计算机通过改变调节阀TV开度控制进入冷却盘管或伴管冷冻水的 流量，使储罐的温度恒定在一定范围内。对于超低温储罐可通过调 节冷冻剂的蒸发量来调节储罐温

29、度；对于液化气体的超低温储罐还 可通过液化气体的放空量的多少来调节储罐内的储存温度。3.当超温时计算机系统发出报警信号，提醒操作人员进行检查和处 理。当发现由于调节阀TV工作不正常而引起的超温应打开手动旁路 阀，以便冷冻水顺利进入储罐冷却管，从而使温度降至正常值。由 于储罐的热容量较大，且外表面有保冷层，罐温不可能突变，因此 发现温度偏高后，有足够的时间给工人去处理解决，一般不需要设 置超温自动联锁。对于低温储存，冷源的保证是非常重要的，因此一般要求冷冻机 有备机，冷冻机电源的负荷等级为二级。对于夏季需要喷淋冷却的储罐 TOC o 1-5 h z 渔湫福TF由J壬I：IJF=kr|I=3 :祐地 一己勺 I图2-7喷淋冷却系统的自动联锁说明：1.符号含意同2-1。当储罐温度达到一定值后