光气合成装置的本质安全设计

张　镇

(华陆工程科技有限责任公司，陕西　西安　710065)



光气合成装置的本质安全设计

张镇

(华陆工程科技有限责任公司，陕西西安710065)

光气以其剧毒特性让人们闻之色变，本文从光气合成原理出发，分析了光气及光气生产过程中可能存在的风险。引入本质安全的理念，结合本质安全的洋葱模型，说明了在工程设计的过程中只要遵从本质安全的工艺、仪表和安全防护三个层次，结合合理的工艺过程、高效安全的双管板光气合成器、智能化的仪表监控及安全联锁，以及安全泄放、尾气分解等措施，就完全可以避免光气合成过程的安全风险，实现光气装置的稳定、安全运行，消除人们的担忧。

光气合成；本质安全；光气合成器

光气是一种剧毒性气体，吸入光气会引起肺水肿、肺炎等，具有致死的危险。光气在二战中奥斯维辛集中营中广泛使用，用来杀死战俘、政治犯等[1]。同时，光气是一种重要的化工原料，广泛应用于农药、染料、医药、精细化学品和异氰酸酯(MDI)的生产。作为异氰酸酯生产的主要原料之一，光气的需求增长显著[2]。国家标准明确规定，“严禁从外地或本地区的其他生产厂运输光气和异氰酸甲酯为原料进行产品生产”[3]，意味着光气化产品生产厂必须自建光气生产装置，以实现自给自足。光气本身及其生产过程存在诸如超温、泄露、爆炸等危险，为实现光气合成装置在生产过程中长期、稳定运行，须将本质安全的原理应用到光气合成装置的工程设计中，才能从源头上防范可能存在的风险。

1　本质安全的概念

本质安全的概念最早由英国的Kletz教授首先提出，他认为物质和过程的存在必然有不可分割的本质属性，它是形成过程危害的根源，只有通过消除或最小化具有固有危害性质的物质或过程条件，才能从本质上消除过程的危害特质，实现过程的本质安全[4]。高耸提出将本质安全的概念应用与石油化工装置设计中，将本质安全划分为三个层次，设计为一种洋葱结构，其核心层是工艺本质安全，中间层是设备仪表的本质安全，最外层是安全防护措施及管理措施[5]。本质安全是指通过设计等手段是生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故。

从专注于工程设计的生命周期和专业分工的度来讲，可分别从纵向和横向两个方面讨论本质安全。从纵向来看，本质安全可分为可行性研究阶段、初步设计阶段、施工图阶段和施工安装阶段[6]。从横向的角度可将本质安全划分为工艺本质安全、设备及仪表本质安全和安全防护本质安全三个层次，高耸提出的洋葱结构可修正为如图1所示。本文重点从横向角度分析工程设计的本质安全，并将其应用于光气合成装置的本质安全设计中。

图1　工程设计的本质安全理论

工艺本质安全主要是根据物料的基本物理和化学属性，即化学品的数量、性质等，选择合适的工艺路线、设备管道材料、动设备的备用等，预防设备损坏、人员伤害和环境破坏，从长期来看，工艺的本质安全是是最安全和最经济有效的。仪表的本质安全是通过仪表自动化监控(DCS)和安全仪表系统联锁(SIS)来保护整个装置的安全运行，保证由于客观事故或操作失误发生时，也能保证操作者、装置安全而不发生事故。安全防护本质安全就是选定了原料、技术路线和产品方案后，在设计和运行阶段，通过增加安全防护措施和实施有力的安全生产方案，增加装置运行的安全性和可靠性。

2　光气合成的基本原理

目前国内外光气制备的方法很多，如一氧化碳和氯气混合光照法，一氧化碳和氯气用氯膦催化剂合成法，一氧化碳在金属氯化物中高温反应法，发烟硫酸和四氯化碳反应法，用铬酸氧化脂肪族氯化物及氯甲酸三氯甲酯，草酸过氯甲酯等热分解法等[7]。工业上广泛应用的制造光气方法是采用一氧化碳和氯气为原料，在活性炭催化剂下生产光气，常用活性炭是椰壳炭和煤基炭，反应方程式如下：

CO + Cl2=COCl2+110 kJ/mol

可以看出，光气合成过程是体积缩小的放热反应，低温、高压有利用于光气合成的平衡。

3　光气合成的工艺本质安全设计

由于液体光气对安全威胁大，液体光气贮槽存量较大，光气中毒及死亡事故大多发生在贮存液体光气和吸收了光气的溶剂生产厂。从工艺本质安全的角度，最好能采用气态光气工艺，避免采用液体光气工艺。

光气合成装置的核心设备是光气合成器，我国的光合成器多为列管式固定床催化合成器，有代表性的有盘管釜式合成器、单管式合成器、集束管式合成器、流化床合成器、列管式合成器和列管式双管板合成器[8]。光气合成器内装活性炭催化剂，属于强放热反应，其绝热温升可达550℃以上，若反应热不及时移除，光气会在高温下分解，分解率达80%。如采用碳钢设备，高温下，氯与铁发生反应而损坏设备。

以上不同设备的改进主要集中在反应热的移除、以及防止光气的泄露方面。其中列管式双管板合成器相比其它合成器，在移热和防止泄露方面，均具有独特的优势。将装有催化剂的列管置于导热油或“水浴”中，管内的热量极易别移走，而且不容易形成局部热点。同时，双管板的特点可以防止壳体内的介质通过管板漏入管线，极大的避免的光气与冷却介质的接触，在工程设计中，列管式双管板合成器是光气合成工艺的首选，如图2所示。

图2　列管式双管板光气合成器

从材料选择的本质安全角度，设备、管道材料、设计参数需考虑充分的余量，以保证装置的安全运行。光气合成器一般采用镍基材质，也可采用碳钢材质，如与光气接触的部分采用碳钢材质，需考虑足够的腐蚀余量。一旦原料气质量不合格带水，应防止很快将设备腐蚀导致事故的发生。

作为冷却介质的水在光气生产过程中是潜在的风险，一旦发生泄露，光气与水接触，对设备发生腐蚀，如发现不及时，导致大面积泄露是及其危险的，光气合成器失效的很多情况均由此引起[9]。所以，从工艺本质安全的较低考虑，应采用导热油作为冷却移热介质更合适。

4　光气合成仪表本质安全设计

从仪表本质安全的角度，主要通过在线仪表的实时监控，如温度、压力、流量等，一旦发生超出正常范围，应及时通过仪表的自动联锁，使装置可以安全停车。仪表主要监控的数据有原料气的压力、原料气CO和Cl2中水含量、光气合成器出口温度和压力、冷却介质的压力等等，以及厂房内CO浓度、Cl2浓度和光气浓度等，一旦检测到超出安全值，通过安全仪表系统自动联锁停车，以实现仪表的本质安全。

5　光气合成的安全防护本质安全设计

国家规范[3]中，对光气装置的工厂选址、安全距离等均有明确规定，工厂在实际建厂时，应在国家规范的基础上适当增加防护距离，以实现安全防护的本质安全。

在开停车、安全阀起跳需要泄放含光气物料时，必须通过破坏处理后，方可放空。目前含光气废气破坏处理主要有碱洗和催化水解法，由于催化水解法反应满足，水解不完全。在紧急情况下，都通过碱洗法破坏光气，光气在10%～30%的氢氧化钠溶液喷淋作用下，分解为氯化钠等无机盐。

在光气厂房，应设有液氨喷淋和消防水幕设施，一旦厂房内发生大量泄漏，通过喷液氨降解光气，同时，在厂房内部四周，形成消防水幕，防止光气外漏。

从生产管理来讲，应有完成的操作手册和管理、运行程序，防止发生误操作等人为因素导致光气装置的事故发生。

6　结　语

在工程设计的过程中采用本质安全的理论可以从源头上减少化工厂的安全隐患。本文从工程设计本质安全的三个层次出发，分析了光气生产装置安全设计的关键因素，提出了采用先进的工艺、可靠的设备和仪表、完善的安全防护三个层次实现光气装置工程设计的本质安全，为业主提供安全、稳定、可靠的光气合成装置。

[1]杨慧君,丁日高.光气中毒机理的研究进展[J].中国工业医学杂志,1995(4):238-239.

[2]张坤鹏.MDI行业中光气合成反应的研究概况[J].广州化工,2010(7):63-64.

[3]GB 19041-2003.光气及光气化产品生产安全规程[S].

[4]葛春涛.化工过程本质安全原理及应用的研究进展[J].化工技术与开发,2014(10):26-10.

[5]高耸.石油化工装置本质安全设计[J].石油化工安全环保技术,2012(4):1-3.

[6]孙德胜,柏进.浅析石油化工装置本质安全设计[J].东方企业文化·企业管理,2013(5):79.

[7]张建宇,雷粮林,汪影,涂小妹,高洪建.光气生产技术及光气化产品开发进展[J].农药,2004(6):245-248.

[8]高洪建,毛林生,涂小妹.光气合成器的发展及型式简析[J].农药,2003(10):24-26.

[9]刘军彪,裴粉霞.光气合成系统运行中存在的问题及改造措施[J].煤化工,2008(8):47-48.

Inherent Safety Design of Phosgene Synthesis Unit

ZHANG Zhen

(Hualu Engineering & Technology Co.,Ltd.,Shaanxi Xi’an 710065,China)

The phosgene with highly toxic property makes people hate and fear.In phosgene synthesis units,there are lots of potential dangerous,the best methods to avoid these hazard is to adopt inherent safety design principle during engineering phase.There are three level of inherent safety with process safety,instrument safety and safety protection as Onion Model.Using reasonable process flow sheet,safety and high effective double tube plates reactor,intelligentized instrument and safety interlocking,safety bleeding and tail gas decompose,etc.,potential risk will be minimized.

phosgene synthesis; inherent safety; phosgene synthesis reactor

张镇(1982-)，男，硕士，主要从事化工工艺方面的设计及技术开发。

TQ021.8

A

1001-9677(2016)06-0222-02