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第1页共24页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第2页共24页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〔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，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，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。2010年7月第3页共24页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。1.1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（℃）反应压力（MPa）聚合方法高压聚乙烯150～300100～350本体聚合中压聚乙烯100～2702.0～7.0溶液聚合低压聚乙烯50～90常压～3.0溶液聚合聚丙烯50～800.3～1.0溶液聚合聚苯乙烯80～200常压～0.2本体、悬浮聚合聚氯乙烯40～700.8～1.2本体、悬浮聚合丁苯橡胶5～120.1～1.0乳液、溶液聚合环氧树脂50～155常压第4页共24页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400℃，活化能为293KJ/mol，当温度升高9℃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第5页共24页来越弱，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，但它第6页共24页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0.2～0.4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，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第7页共24页全神贯注，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。1.反应器温度监控图1-1聚合工艺反应器温度控制流程图第8页共24页图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，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，因此反应温第9页共24页度除通过夹套、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。2.反应器的压力监控⑴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。⑵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第10页共24页高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。3.反应过程中单体或引发剂流量的监控⑴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。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――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。⑵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。4.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第11页共24页的指标参数，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。⑴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。⑵冷却水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第12页共24页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。5.聚合工艺反应釜搅拌速率的监控搅拌在聚合