銀法甲醛生產(chǎn)過程中氧化反應(yīng)溫度聯(lián)鎖運(yùn)行優(yōu)化探討

(開封龍宇化工有限公司 河南省聚甲醛基新材料工程技術(shù)研究中心 ， 河南 開封 475200)

以甲醇為原料，電解銀催化氧化甲醛生產(chǎn)工藝(甲醛生產(chǎn)氧化工藝)是目前國(guó)內(nèi)甲醛工業(yè)生產(chǎn)的主流成熟工藝技術(shù)。有統(tǒng)計(jì)表明，目前全國(guó)甲醛生產(chǎn)廠家超過500家，2017年底全國(guó)甲醛裝置總產(chǎn)能超過4 000萬(wàn)t/a[1]。隨著安全科學(xué)的發(fā)展和安全標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)一步嚴(yán)格要求，很多裝置安全水平都需要進(jìn)一步提高，以保障生產(chǎn)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文結(jié)合長(zhǎng)期的甲醛氧化生產(chǎn)工藝運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)保障目前氧化反應(yīng)安全的反應(yīng)溫度超溫聯(lián)鎖進(jìn)行初步的實(shí)踐探討和理論分析，推動(dòng)了甲醛生產(chǎn)安全研究的深化。

1 甲醛生產(chǎn)氧化工藝安全生產(chǎn)條件

甲醇氧化制甲醛是重點(diǎn)危險(xiǎn)化工工藝，主原料甲醇、空氣和其它輔助配料在氧化反應(yīng)器中的銀床層進(jìn)行氣固相催化氧化反應(yīng)，反應(yīng)后的生成氣中主要含有甲醛、氮?dú)夂推渌煞諿2]。氧化反應(yīng)溫度高于甲醇的燃點(diǎn)，同時(shí)甲醇?xì)夂涂諝馀浔忍幱诩状急O限范圍內(nèi)，生產(chǎn)中加入惰性組分避免爆炸；生產(chǎn)介質(zhì)和產(chǎn)品都具有易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)因素。工藝出現(xiàn)異常狀況時(shí)，易發(fā)生超溫、回火、爆炸和高溫?zé)龎脑O(shè)備的危險(xiǎn)，以及人員被炸傷、燒傷、中毒甚至死亡的事件[3]。

經(jīng)過長(zhǎng)期的安全生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)總結(jié)，對(duì)甲醛生產(chǎn)氧化工藝進(jìn)行不斷安全優(yōu)化。近年來新建裝置為了保護(hù)氧化反應(yīng)器，避免超溫、爆炸等安全事故，都在DCS系統(tǒng)設(shè)置了氧化反應(yīng)溫度超溫聯(lián)鎖和氧化反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)缺水聯(lián)鎖，老裝置也都進(jìn)行技改加裝了這兩種聯(lián)鎖系統(tǒng)。其中最關(guān)鍵的是氧化反應(yīng)溫度超溫聯(lián)鎖[4]。

2 氧化反應(yīng)溫度超溫聯(lián)鎖安全工藝

根據(jù)事件頻率和可接受程度，設(shè)置氧化反應(yīng)溫度超溫安全工藝聯(lián)鎖，在氧化反應(yīng)溫度失去控制或者其它嚴(yán)重情況下，及時(shí)自動(dòng)切斷進(jìn)料，降低溫度，避免發(fā)生后果嚴(yán)重的事故。

在安全生產(chǎn)工藝技術(shù)理論的指導(dǎo)下，結(jié)合多套生產(chǎn)裝置的實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，結(jié)合溫度對(duì)銀催化劑的實(shí)際影響，結(jié)合超溫可能造成的危險(xiǎn)后果等因素，對(duì)氧化反應(yīng)溫度超溫分為四個(gè)階段，對(duì)自動(dòng)聯(lián)鎖動(dòng)作進(jìn)行分級(jí)。

表1 氧化反應(yīng)超溫四個(gè)階段

2.1 第一階段超溫

達(dá)到臨界點(diǎn)溫度時(shí)，催化劑不受影響，超過臨界點(diǎn)溫度后，催化劑可能受輕微影響。發(fā)生此種情況，聲光報(bào)警及時(shí)提醒，自動(dòng)聯(lián)鎖系統(tǒng)不必動(dòng)作，提醒操作人員及時(shí)調(diào)整進(jìn)料配比，恢復(fù)正常反應(yīng)溫度和狀態(tài)，保障生產(chǎn)運(yùn)行安全穩(wěn)定。

2.2 第二階段超溫

達(dá)到臨界點(diǎn)溫度時(shí)，催化劑受輕微影響，可能使床層阻力加大或者縮短催化劑壽命，但不會(huì)發(fā)生顯著的突變，溫度降低后及時(shí)調(diào)整，生產(chǎn)可以持續(xù)進(jìn)行。發(fā)生此種情況，聲光報(bào)警繼續(xù)提醒，初級(jí)聯(lián)鎖動(dòng)作，空氣自動(dòng)排放，空氣進(jìn)料流量突降，從而降低反應(yīng)溫度。即聯(lián)鎖全開空氣放空閥將空氣放空，或緊急減小空氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而減少進(jìn)入氧化反應(yīng)器的空氣量。如果放空閥設(shè)置合適，聯(lián)鎖動(dòng)作發(fā)生后，氧化反應(yīng)溫度將會(huì)迅速下降，此時(shí)操作人員及時(shí)查明原因，消除原因后，解除聯(lián)鎖，恢復(fù)生產(chǎn)，生產(chǎn)可持續(xù)進(jìn)行。

2.3 第三階段超溫報(bào)警

達(dá)到臨界點(diǎn)溫度時(shí)，催化劑會(huì)受到一定影響，顯著增加銀層阻力，縮短壽命周期。發(fā)生此種情況時(shí)，聲光報(bào)警繼續(xù)提醒，終級(jí)聯(lián)鎖動(dòng)作，停止空氣風(fēng)機(jī)，切斷空氣原料進(jìn)入氧化反應(yīng)器的動(dòng)力，停止空氣進(jìn)料，降低反應(yīng)溫度。

這種事件發(fā)生后，氧化反應(yīng)溫度將快速降低，一般情況下來不及調(diào)整，生產(chǎn)運(yùn)行中斷。一般在重新點(diǎn)火開車后，生產(chǎn)可以繼續(xù)進(jìn)行，但催化劑壽命周期將縮短；但在迅速明確原因并消除后，解除聯(lián)鎖，氧化反應(yīng)器溫度不太低時(shí)(例如300 ℃以上)，也可能不用點(diǎn)火，及時(shí)調(diào)整后，恢復(fù)生產(chǎn)。

2.4 第四階段失控爆炸

以上兩級(jí)聯(lián)鎖發(fā)生動(dòng)作后，異常狀況仍未消除，氧化反應(yīng)失控，溫度急劇上升，系統(tǒng)壓力隨溫度驟升，達(dá)到100 kPa，氧化反應(yīng)器頂部的爆破板將開裂，由爆破板處釋放爆炸壓力防止反應(yīng)器受損。

此階段現(xiàn)象為氧化反應(yīng)完全失控狀態(tài)，發(fā)生此現(xiàn)象后，觸媒層已經(jīng)超溫融化，氧化器防爆板破裂，裝置和系統(tǒng)受到一定程度的破壞，需要較長(zhǎng)時(shí)間的停車檢修和排查原因。

根據(jù)分級(jí)分段結(jié)果，對(duì)每個(gè)階段的危害后果進(jìn)行分析和實(shí)踐優(yōu)化，設(shè)置不同的聯(lián)鎖控制對(duì)策。特別注意分段實(shí)踐中，對(duì)于不同階段的溫度臨界點(diǎn)，要結(jié)合經(jīng)典理論、氧化反應(yīng)器構(gòu)造、銀催化劑、儀表控制系統(tǒng)等因素，不斷進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3 聯(lián)鎖測(cè)點(diǎn)分布和容錯(cuò)

為了防止遠(yuǎn)傳溫度儀表系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤引起聯(lián)鎖誤動(dòng)作，或者出現(xiàn)異常狀況時(shí)聯(lián)鎖不動(dòng)作，采用多點(diǎn)監(jiān)控、異位雙聯(lián)鎖、邏輯優(yōu)選、故障點(diǎn)假設(shè)等措施，保障聯(lián)鎖可靠正常運(yùn)行，減少溫度測(cè)量參數(shù)錯(cuò)誤引起聯(lián)鎖誤動(dòng)作或者不動(dòng)作的概率[5]。

3.1 聯(lián)鎖運(yùn)行中的四種狀態(tài)及危害性排序

聯(lián)鎖運(yùn)行中四種狀態(tài)如表2所示。

表2 聯(lián)鎖運(yùn)行中的四種狀態(tài)

從表2可以看出，聯(lián)鎖運(yùn)行四種狀態(tài)中，運(yùn)行正確有兩種，運(yùn)行錯(cuò)誤有兩種。根據(jù)聯(lián)鎖運(yùn)行各種狀態(tài)本身危害程度從小到大排序如下：①無危害。“運(yùn)行正確”的兩種狀態(tài)，均無危害。②危害生產(chǎn)。“運(yùn)行錯(cuò)誤”“聯(lián)鎖溫度尚未達(dá)到觸發(fā)條件，聯(lián)鎖指令發(fā)出，聯(lián)鎖裝置動(dòng)作”，此狀態(tài)發(fā)生將引起工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)整或停車，影響穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，一般不影響安全。③危害安全?！斑\(yùn)行錯(cuò)誤”“當(dāng)聯(lián)鎖溫度已經(jīng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，聯(lián)鎖指令無，聯(lián)鎖裝置不動(dòng)”，此種狀態(tài)將會(huì)導(dǎo)致緊急狀況下聯(lián)鎖失效，發(fā)生觸媒融化、防爆板開裂、氧化反應(yīng)器受損或其它安全事故。顯然，第③種情況危害最大，應(yīng)優(yōu)先避免。

3.2 多點(diǎn)監(jiān)控

甲醇氧化生產(chǎn)甲醛銀法工藝催化劑床層一般為15 mm左右，且橫戴面積大，為典型的薄床層。為了全面掌握反應(yīng)狀況和溫度，為生產(chǎn)運(yùn)行和安全聯(lián)鎖提供具有代表性、可靠充足的數(shù)據(jù)，做到安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。優(yōu)化分布4個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)。床層截面中心處設(shè)一雙支熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，床層截面距中心點(diǎn)1/2至2/3半徑的同心圓上均勻設(shè)置3處單支熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位于此同心圓內(nèi)接正三角形三個(gè)頂點(diǎn)處。

3.3 異位雙聯(lián)鎖

把床層分成兩部分。一部分為以床層圓心為圓心，1/2半徑為半徑的同心圓內(nèi)部；另一部分為剩下的圓環(huán)。為了避免聯(lián)鎖系統(tǒng)本身故障，引發(fā)3.1③危害安全的狀況發(fā)生，對(duì)這不同部位的兩處分別設(shè)置聯(lián)鎖，當(dāng)某一部位聯(lián)鎖系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障失效，或需要臨時(shí)解除時(shí)，另一個(gè)部位的聯(lián)鎖正常運(yùn)行。

3.4 邏輯優(yōu)選

對(duì)于兩個(gè)部位的聯(lián)鎖，分別采用下述數(shù)據(jù)邏輯優(yōu)選。對(duì)于小同心圓部位，設(shè)一中心測(cè)溫點(diǎn)，為防止測(cè)溫點(diǎn)故障引起聯(lián)鎖錯(cuò)誤，采用雙支熱電偶，雙輸出，當(dāng)其中一支出現(xiàn)故障時(shí)，另一支正常工作，此部位聯(lián)鎖溫度監(jiān)測(cè)正常工作的分支。對(duì)于外圓環(huán)部位，設(shè)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，采用單支單輸出熱電偶。聯(lián)鎖溫度同時(shí)監(jiān)測(cè)此三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，此部位聯(lián)鎖采用三選二策略，即三個(gè)溫度點(diǎn)，有兩個(gè)以上溫度點(diǎn)超溫時(shí)，聯(lián)鎖觸發(fā)，引起聯(lián)鎖自動(dòng)調(diào)整。

3.5 故障點(diǎn)假設(shè)

當(dāng)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)故障，無法提供測(cè)量參數(shù)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)假設(shè)此點(diǎn)超溫，做為超溫點(diǎn)參與到聯(lián)鎖運(yùn)行中。本假設(shè)設(shè)置可避免3.1③危害安全的狀況發(fā)生。

4 結(jié)論

實(shí)踐運(yùn)行總結(jié)和深入分析探討發(fā)現(xiàn)：通過對(duì)氧化反應(yīng)催化劑床層進(jìn)行分區(qū)并優(yōu)化布置測(cè)溫點(diǎn)、異位雙聯(lián)鎖、邏輯優(yōu)選和故障點(diǎn)假設(shè)等策略的優(yōu)化組合，從而設(shè)置安全、經(jīng)濟(jì)、適用的氧化反應(yīng)溫度超溫聯(lián)鎖系統(tǒng)，保障裝置安全穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行。通過對(duì)此超溫聯(lián)鎖系統(tǒng)的不斷實(shí)踐和持續(xù)深入研究，達(dá)到不斷優(yōu)化安全生產(chǎn)的目的。