第五章自动监控与安全联锁

聚合工艺的

自动监控与安全联锁

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〔2009〕116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〔2009〕109号）等文件精神，聚合工艺、高危储存设施重点参数应实行自动监控。第一部分聚合工艺

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，溶剂连在聚合物端部，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、丁腈橡胶、聚氯乙烯、丙烯腈-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、丁基橡胶、聚异丁烯聚氯乙烯、聚丙烯腈

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），最终发生暴聚、暴沸事故。采用计算机系统(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）。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，加入反应器的聚合单体或引发剂的流量，冷却水流量等。一、聚合工艺重要工艺参数的监控重要工艺参数的监测及控制：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。（一）反应器温度监控图1聚合工艺反应器温度控制流程图

图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，则需通过安全联锁系统来解决。2.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。3.控制过程如下：⑴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。⑵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。⑶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，直至反应到达终点（t2）。⑷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。⑸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。（二）反应器的压力监控1.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。2.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。

图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――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。（三）反应过程中单体或引发剂流量的监控

1、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。2、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。（四）冷却水流量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。

图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。

1、冷却水水流开关

图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。2、冷却水流量的指示及控制

（五）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。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。1、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。2、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保护装置也是需要的。

图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)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。（六）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100Ω。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。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。（七）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〔2003〕142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）。（八）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。

闪点：指因可燃液体蒸发或可燃固体升华而在其表面产生的可燃蒸气遇火源产生的一闪而灭的燃烧。可燃物发生闪燃的最低温度叫闪点。二、安全控制方面的措施

反应釜温度和压力的报警和联锁1、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。图8温度联锁流程图图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，未包括反应正常时，温度的调节。流程图中的调节阀为温度的调节阀。2.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。3.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。4.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。2、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。图10压力联锁流程图图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、