VAE 超高壓聚合反應SIS 設計及SIL 定級分析

孫仁龍 劉亞琪

（中國石油工程項目管理公司天津設計院）

VAE乳液外觀呈乳白色或微黃色，是醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液的簡稱， 是以醋酸乙烯和乙烯單體為基本原料，與其他輔料通過乳液聚合方法共聚而成的高分子乳液。 VAE乳液屬于水基型粘合劑，無公害，符合現(xiàn)代環(huán)保發(fā)展要求，在美國通過了FDA認證，廣泛用于膠粘劑、外墻外保溫、建筑防水、涂料、復合包裝材料、建筑水泥砂漿改性、無紡布制造、紙張涂層，以及各種極性與非極性材料的通用粘接等。

1 VAE生產工藝簡介

VAE乳液于20世紀60年代中期由美國空氣公司（APCI）最先實現(xiàn)工業(yè)化，隨后，杜邦、瓦克等公司也先后生產出類似的產品，中國臺灣大連化學工業(yè)股份有限公司于1986年建成第1條VAE生產裝置。 目前，國內VAE生產廠家主要有北京有機化工廠、四川維尼綸廠、廣西皖維生物質科技有限公司及山西三維化工有限公司等，大多采用低壓聚合工藝，其工藝流程一般包括原料、配料、聚合、脫泡和包裝5個單元，工藝流程如圖1所示。

圖1 VAE生產工藝流程簡圖

為了打破國外高壓聚合工藝的技術壟斷，經過十多年摸索， 國內某化工廠首次采用具有自有知識產權的超高壓VAE聚合工藝， 反應系統(tǒng)設計壓力達10 MPa， 反應溫度150 ℃， 因溫度壓力高且涉及許多復雜的熱反應和氧化還原反應，系統(tǒng)安全至關重要。

2 安全控制系統(tǒng)設計

2.1 反應系統(tǒng)工藝流程簡介

如圖2所示， 將配制好的乳化劑體系、 初始VAC加入聚合反應器， 再向反應器中通入乙烯，當達到設定壓力后，關閉乙烯閥。 開啟反應器攪拌， 并向釜內盤管換熱器通入蒸汽預熱反應物料，達到初始反應溫度后，關閉加熱蒸汽。 然后向反應器中加入氧化劑，利用盤管換熱器切換加熱蒸汽與冷卻水來控制反應溫度。 當反應時間計時結束，停止向反應器加入氧化劑，利用加熱蒸汽保溫一定時間。 待保溫結束，關閉反應器攪拌器，利用反應器內部余壓將物料壓入脫泡槽。

圖2 反應系統(tǒng)工藝流程簡圖

2.2 SIS設計

當反應釜溫度或壓力超限時，聯(lián)鎖動作，SIS對相關泵閥進行順序控制。 聯(lián)鎖設計如下：

a. 觸發(fā)聯(lián)鎖保護條件，反應釜溫度（四選二）高于140 ℃，反應釜壓力（三選一）大于9.5 MPa，輔操作臺緊急按鈕按下。

b. 聯(lián)鎖保護動作，乙烯進料閥關閉，醋酸乙烯進料閥關閉，引發(fā)劑泵關閉，終止劑泵開啟，切斷閥XV1開啟，切斷閥XV2開啟。

c. 聯(lián)鎖復位操作，反應釜溫度壓力條件恢復正常，按下“復位”按鈕，聯(lián)鎖復位信號燈亮。

d. 緊急聯(lián)鎖按鈕， 在未達到聯(lián)鎖條件時，根據工藝反應過程需要，人工啟動聯(lián)鎖。

反應系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 反應系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯

2.3 SIL定級

根據《國家安全監(jiān)管總局、住房城鄉(xiāng)建設部關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》安監(jiān)總管三〔2013〕76號規(guī)定，進行了工藝流程和操作規(guī)程分析，開展了危險和可操作性（HAZOP）、保護層分析（LOPA）和安全完整性等級（SIL）定級工作。工藝流程包括VAE主裝置（PVA配置系統(tǒng)、VAC配置系統(tǒng)、 氧化還原系統(tǒng)、APS系統(tǒng)、反應系統(tǒng)和脫泡系統(tǒng)）和VAC儲槽，乙烯蒸發(fā)的主要管線和設備。 操作規(guī)程包括PVA配藥、VAC配藥、DTDK配藥、APS配藥和H2O2配藥。

通過對14個節(jié)點的HAZOP分析以及19個場景的LOPA分析，共辨識出各類風險等級94個（其中員工傷害風險34個、財產損失風險33個、環(huán)境與社會影響風險27個）， 并針對性地提出了70條建議措施。 通過對19個場景的LOPA分析，對5個SIF回路進行了SIL定級［1］。 在采用全部建議的前提下，所有場景的風險均能降至允許風險等級及以下，使得該裝置的風險總體上可控。 針對反應系統(tǒng)的HAZOP、LOPA分析提出的建議見表1、2。

表1 反應系統(tǒng)HAZOP分析建議

表2 反應系統(tǒng)SIL定級LOPA分析清單

2.4 SIL定級

根據《國家安全監(jiān)管總局關于公布首批重點監(jiān)管的危險化工工藝目錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2009〕116號）的規(guī)定，對危險化工工藝的重點監(jiān)控參數(shù)、安全控制的基本要求、宜采用的控制方式設計要求對照情況見表3。

表3 反應系統(tǒng)工藝安全控制對照一覽表

3 結束語

通過對VAE超高壓聚合反應系統(tǒng)分析，提出SIS設計方案， 明確了安全儀表功能回路的SIL等級，提高了本質安全設計水平，保證了裝置的安全長周期正常運行。