環(huán)氧乙烷貯罐安全設(shè)施設(shè)計(jì)要點(diǎn)及工藝流程范式

張澤武

新煤化工設(shè)計(jì)院（上海）有限公司 （上海 200237）

環(huán)氧乙烷（EO）易燃易爆、高毒，其安全防范不僅有石油液化氣的一般性，更有其特殊性。國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局早在2004年第5號(hào)文[1]中就明確限制環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)。不僅是環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)單位，涉及環(huán)氧乙烷使用的單位也面臨著地方政府越來(lái)越嚴(yán)格的監(jiān)管。20世紀(jì)90年代建造的一批涉環(huán)氧乙烷工廠，由于規(guī)范升級(jí)、監(jiān)管趨嚴(yán)、政策導(dǎo)向、新上項(xiàng)目門(mén)檻提高等方方面面的原因，面臨著要么花大代價(jià)改造要么淘汰的艱難抉擇。涉環(huán)氧乙烷的安全管理工作也不容樂(lè)觀，如2012年8月24日上海金山環(huán)氧乙烷罐車(chē)泄漏事故、2015年6月南京化工園區(qū)內(nèi)德納化工有限公司工廠環(huán)氧乙烷裝置爆炸事故，無(wú)一不警鐘長(zhǎng)鳴。

1 環(huán)氧乙烷的物性及安全特性

復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程和高度危害性是涉環(huán)氧乙烷裝置、生產(chǎn)的基本特點(diǎn)，而掌握不同工況下環(huán)氧乙烷的基本物性是保障安全的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。環(huán)氧乙烷突出的理化特征為毒性、易燃易爆性、聚合性。環(huán)氧乙烷為無(wú)色帶有醚味的可燃性液體或者無(wú)色氣體，可與大多數(shù)溶劑（水、乙醇、乙醚、其他有機(jī)溶劑）無(wú)限混溶；化學(xué)性質(zhì)極其活潑，溫度高于40℃[2]即可自行聚合（相對(duì)分子質(zhì)量為103～105），且放出大量熱量；常溫下亦會(huì)受到某些酸堿、金屬氧化物、氯化物的催化作用而發(fā)生聚合（從而堵塞管道）。環(huán)氧乙烷爆炸時(shí)，其溫度可在0.002 s內(nèi)迅速由571℃上升至1200℃[3]。環(huán)氧乙烷的主要物性見(jiàn)表1、表2和圖1、圖2。

表1 環(huán)氧乙烷（液態(tài)）物性[4]

表2 環(huán)氧乙烷（氣態(tài)）物性[4，6]

環(huán)氧乙烷的職業(yè)接觸限值為2 mg/m3，高度危害，易燃有毒，致癌，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品[8]和重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品[9]。當(dāng)最低年設(shè)計(jì)使用量達(dá)到《危險(xiǎn)化學(xué)品使用量的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)（2013年版）》的規(guī)定（360 t/a）時(shí)，需要申領(lǐng)危險(xiǎn)化學(xué)品使用證。環(huán)氧乙烷是一種高度活潑的燒化劑、刺激劑、神經(jīng)毒劑。急性中毒主要損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)。環(huán)氧乙燒可對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生剌激作用，引起化學(xué)性急性氣管支氣管炎、支氣管肺炎、肺水腫。急性環(huán)氧乙烷中毒還可出現(xiàn)其他器官功能的異常，如心肌損害、肝、腎功能異常等[10]。

另外，根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018年版）》或GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，環(huán)氧乙烷火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類(lèi)或甲A類(lèi)。環(huán)氧乙烷極易溶于水，4%及以下的水溶液是火災(zāi)安全區(qū)。環(huán)氧乙烷的不安全因素有高溫或明火、雷電、電火花、靜電及引起聚合的介質(zhì)。其中，易引起聚合的介質(zhì)包括：氧化劑（如氧氣、空氣），金屬鐵、鋁、錫、汞（汞溫度計(jì)）、鉀；金屬氧化物，如氧化鐵（鐵銹）、氧化鋁、氧化錫；堿金屬的氫氧化物（聚醚反應(yīng)系統(tǒng)就有堿性催化劑，如KOH）；酸；金屬的乙炔化合物等。由不安全因素引發(fā)的事故有：安徽省銅陵市第二化工集團(tuán)化工廠由于環(huán)氧乙烷放空時(shí)產(chǎn)生靜電引發(fā)火花并回火造成爆炸[11；九江化工廠“3·5”爆炸事故[12]，由于停產(chǎn)后未采取清空充氮的保護(hù)措施，雷擊導(dǎo)致事故發(fā)生；Sterigenics國(guó)際公司醫(yī)用品滅菌裝置由于誤操作導(dǎo)致環(huán)氧乙烷接觸催化氧化器（內(nèi)有明火），導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。事故案例眾多，不一而足?？傊h(huán)氧乙烷必須隔絕一切可能肇事的火源和高溫；對(duì)附近電氣設(shè)施及其控制實(shí)施防爆；附近（15 m范圍內(nèi)）的附屬金屬設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)柱、風(fēng)管[13]等必須要有導(dǎo)靜電設(shè)施；設(shè)置防雷設(shè)施；隔絕空氣；涉環(huán)氧乙烷管道或設(shè)備不能用鐵、銅、鎂及其合金材料，最低標(biāo)準(zhǔn)采用不銹鋼材料，罐區(qū)內(nèi)的操作工具都要使用銅制防爆工具。上述每一項(xiàng)不安全因素都是由帶血的事故得到的教訓(xùn)、總結(jié)，工程設(shè)計(jì)人員和安全管理人員在實(shí)際工作中務(wù)必要高度重視。

環(huán)氧乙烷構(gòu)成重大危險(xiǎn)源的臨界量為10 t[14]。當(dāng)存貯的量大于10 t（約11m3）時(shí)，即構(gòu)成重大危險(xiǎn)源，需要執(zhí)行重大危險(xiǎn)源的相關(guān)法規(guī)和規(guī)范[15-17]。

圖1 EO的飽和蒸汽壓曲線(xiàn)[7]

圖2 5℃和10℃時(shí)EO水溶液的飽和蒸汽壓曲線(xiàn)

2 流程設(shè)計(jì)范式

為便于廣大工程設(shè)計(jì)者使用，筆者根據(jù)對(duì)環(huán)氧乙烷物性、存貯工藝的理解及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)案例，提出環(huán)氧乙烷貯罐的流程范式，詳見(jiàn)圖3。

存貯體系由進(jìn)料系統(tǒng)、貯罐本體、冷卻系統(tǒng)、安全泄放系統(tǒng)、氮封系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、溫度壓力檢測(cè)系統(tǒng)、（氣力）輸料系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、分析取樣系統(tǒng)等組成。上述系統(tǒng)對(duì)于安全性和功能性而言缺一不可。值得指出的是，氣力輸料不僅比泵輸送的方式節(jié)省設(shè)備成本，同時(shí)也更安全。環(huán)氧乙烷在氮?dú)庵械谋ㄏ孪逓?5%，比在空氣中的爆炸下限（3%）有大幅提高，即更安全。氮?dú)?、環(huán)氧乙烷混合總壓力一般達(dá)到0.5 MPa；氮封系統(tǒng)也可以采用三閥組（開(kāi)關(guān)閥）的型式[18]。選用泵作為輸料型式時(shí)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)請(qǐng)參照3.2章節(jié)。卸車(chē)環(huán)節(jié)也是事故易發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，環(huán)氧乙烷的卸車(chē)程序：（1）車(chē)上接通地線(xiàn)，以導(dǎo)出靜電；（2）卸車(chē)鶴位與槽車(chē)出料管相連接，然后給槽車(chē)充氮，氮?dú)馀c環(huán)氧乙烷混合氣體的總壓保持在0.25 MPa，將環(huán)氧乙烷壓入貯罐內(nèi)；（3）槽車(chē)卸完后，充填氮?dú)?，使槽?chē)內(nèi)總壓力維持在0.25 MPa，以防空氣進(jìn)入槽車(chē)內(nèi)。

3 環(huán)氧乙烷貯罐工藝要點(diǎn)

環(huán)氧乙烷貯罐的操作溫度通常為0～5℃，其目的是為了減緩環(huán)氧乙烷聚合反應(yīng)以及減少氣化揮發(fā)損失，這意味著必須要有冷卻設(shè)施。選用40%乙二醇-水溶液進(jìn)行冷卻；操作壓力即為相應(yīng)溫度下的飽和壓力；設(shè)計(jì)壓力必須大于失冷后的環(huán)境溫度（約40℃）所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，取0.8 MPa；單罐裝料系數(shù)為0.85，若設(shè)置雙罐時(shí)，裝料系數(shù)可采用0.5，便于需要時(shí)倒罐。

3.1 選材設(shè)計(jì)要點(diǎn)

正確的選材是工程安全最基本的保障。表3列出了涉環(huán)氧乙烷設(shè)備、管道、管件正確的材料選用和應(yīng)該避免的情形。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

環(huán)氧乙烷工藝系統(tǒng)中，要將防止危險(xiǎn)雜質(zhì)（如水、空氣、鐵銹等）的混入作為重中之重，同時(shí)還要防泄露、防氣化和防聚合。環(huán)氧乙烷工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如表4所示。[19-20]

3.3 環(huán)氧乙烷貯罐的安全儀表系統(tǒng)

（1）是否設(shè)置安全儀表系統(tǒng)的判據(jù)

若環(huán)氧乙烷貯罐的體積大于11 m3，依照規(guī)定必須設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)。根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)文的要求：從2016年1月1日起，化工企業(yè)新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”（即重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品、重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝和危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源）的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品貯存設(shè)施，要設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全儀表系統(tǒng)；從2018年1月1日起，所有新建的涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品貯存設(shè)施，均要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。

圖3 環(huán)氧乙烷貯罐流程范式圖

表3 涉環(huán)氧乙烷設(shè)備、管道、管件、保溫等選型選材要點(diǎn)一覽表

表4 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)一覽表

（2）安全儀表功能清單

由于環(huán)氧乙烷的重大危險(xiǎn)源臨界量很低，故一般要設(shè)置安全儀表系統(tǒng)。表5列出了推薦的安全儀表功能清單。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)氧乙烷存貯設(shè)施的設(shè)計(jì)原則、要點(diǎn)和安全設(shè)施設(shè)置、安全管理要點(diǎn)均基于環(huán)氧乙烷的物化特點(diǎn)，具有工程設(shè)計(jì)的一般性和對(duì)象的特殊性，二者相互統(tǒng)一。設(shè)計(jì)人員和管理者應(yīng)該牢牢把握環(huán)氧乙烷的物化特征，并結(jié)合實(shí)際工作加以靈活判斷和運(yùn)用，將安全原則和措施貫徹、執(zhí)行到位。只有如此，才能切實(shí)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，從源頭減少事故發(fā)生的可能，保障生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

表5 安全儀表功能清單