环氧乙烷贮罐安全设施设计要点及工艺流程范式

张泽武

新煤化工设计院（上海）有限公司 （上海 200237）

环氧乙烷（EO）易燃易爆、高毒，其安全防范不仅有石油液化气的一般性，更有其特殊性。国家质量监督检验检疫总局早在2004年第5号文[1]中就明确限制环氧乙烷的生产。不仅是环氧乙烷的生产单位，涉及环氧乙烷使用的单位也面临着地方政府越来越严格的监管。20世纪90年代建造的一批涉环氧乙烷工厂，由于规范升级、监管趋严、政策导向、新上项目门槛提高等方方面面的原因，面临着要么花大代价改造要么淘汰的艰难抉择。涉环氧乙烷的安全管理工作也不容乐观，如2012年8月24日上海金山环氧乙烷罐车泄漏事故、2015年6月南京化工园区内德纳化工有限公司工厂环氧乙烷装置爆炸事故，无一不警钟长鸣。

1 环氧乙烷的物性及安全特性

复杂的工艺设计过程和高度危害性是涉环氧乙烷装置、生产的基本特点，而掌握不同工况下环氧乙烷的基本物性是保障安全的关键和基础。环氧乙烷突出的理化特征为毒性、易燃易爆性、聚合性。环氧乙烷为无色带有醚味的可燃性液体或者无色气体，可与大多数溶剂（水、乙醇、乙醚、其他有机溶剂）无限混溶；化学性质极其活泼，温度高于40℃[2]即可自行聚合（相对分子质量为103～105），且放出大量热量；常温下亦会受到某些酸碱、金属氧化物、氯化物的催化作用而发生聚合（从而堵塞管道）。环氧乙烷爆炸时，其温度可在0.002 s内迅速由571℃上升至1200℃[3]。环氧乙烷的主要物性见表1、表2和图1、图2。

表1 环氧乙烷（液态）物性[4]

表2 环氧乙烷（气态）物性[4，6]

环氧乙烷的职业接触限值为2 mg/m3，高度危害，易燃有毒，致癌，属于危险化学品[8]和重点监管的危险化学品[9]。当最低年设计使用量达到《危险化学品使用量的数量标准（2013年版）》的规定（360 t/a）时，需要申领危险化学品使用证。环氧乙烷是一种高度活泼的烧化剂、刺激剂、神经毒剂。急性中毒主要损害中枢神经系统和呼吸系统。环氧乙烧可对呼吸系统产生剌激作用，引起化学性急性气管支气管炎、支气管肺炎、肺水肿。急性环氧乙烷中毒还可出现其他器官功能的异常，如心肌损害、肝、肾功能异常等[10]。

另外，根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范（2018年版）》或GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》，环氧乙烷火灾危险性为甲类或甲A类。环氧乙烷极易溶于水，4%及以下的水溶液是火灾安全区。环氧乙烷的不安全因素有高温或明火、雷电、电火花、静电及引起聚合的介质。其中，易引起聚合的介质包括：氧化剂（如氧气、空气），金属铁、铝、锡、汞（汞温度计）、钾；金属氧化物，如氧化铁（铁锈）、氧化铝、氧化锡；碱金属的氢氧化物（聚醚反应系统就有碱性催化剂，如KOH）；酸；金属的乙炔化合物等。由不安全因素引发的事故有：安徽省铜陵市第二化工集团化工厂由于环氧乙烷放空时产生静电引发火花并回火造成爆炸[11；九江化工厂“3·5”爆炸事故[12]，由于停产后未采取清空充氮的保护措施，雷击导致事故发生；Sterigenics国际公司医用品灭菌装置由于误操作导致环氧乙烷接触催化氧化器（内有明火），导致爆炸事故的发生。事故案例众多，不一而足。总之，环氧乙烷必须隔绝一切可能肇事的火源和高温；对附近电气设施及其控制实施防爆；附近（15 m范围内）的附属金属设备、管道、结构柱、风管[13]等必须要有导静电设施；设置防雷设施；隔绝空气；涉环氧乙烷管道或设备不能用铁、铜、镁及其合金材料，最低标准采用不锈钢材料，罐区内的操作工具都要使用铜制防爆工具。上述每一项不安全因素都是由带血的事故得到的教训、总结，工程设计人员和安全管理人员在实际工作中务必要高度重视。

环氧乙烷构成重大危险源的临界量为10 t[14]。当存贮的量大于10 t（约11m3）时，即构成重大危险源，需要执行重大危险源的相关法规和规范[15-17]。

图1 EO的饱和蒸汽压曲线[7]

图2 5℃和10℃时EO水溶液的饱和蒸汽压曲线

2 流程设计范式

为便于广大工程设计者使用，笔者根据对环氧乙烷物性、存贮工艺的理解及实际工程经验案例，提出环氧乙烷贮罐的流程范式，详见图3。

存贮体系由进料系统、贮罐本体、冷却系统、安全泄放系统、氮封系统、吹扫系统、温度压力检测系统、（气力）输料系统、排污系统、分析取样系统等组成。上述系统对于安全性和功能性而言缺一不可。值得指出的是，气力输料不仅比泵输送的方式节省设备成本，同时也更安全。环氧乙烷在氮气中的爆炸下限为75%，比在空气中的爆炸下限（3%）有大幅提高，即更安全。氮气、环氧乙烷混合总压力一般达到0.5 MPa；氮封系统也可以采用三阀组（开关阀）的型式[18]。选用泵作为输料型式时的设计要点请参照3.2章节。卸车环节也是事故易发的关键环节，环氧乙烷的卸车程序：（1）车上接通地线，以导出静电；（2）卸车鹤位与槽车出料管相连接，然后给槽车充氮，氮气与环氧乙烷混合气体的总压保持在0.25 MPa，将环氧乙烷压入贮罐内；（3）槽车卸完后，充填氮气，使槽车内总压力维持在0.25 MPa，以防空气进入槽车内。

3 环氧乙烷贮罐工艺要点

环氧乙烷贮罐的操作温度通常为0～5℃，其目的是为了减缓环氧乙烷聚合反应以及减少气化挥发损失，这意味着必须要有冷却设施。选用40%乙二醇-水溶液进行冷却；操作压力即为相应温度下的饱和压力；设计压力必须大于失冷后的环境温度（约40℃）所对应的饱和蒸汽压，取0.8 MPa；单罐装料系数为0.85，若设置双罐时，装料系数可采用0.5，便于需要时倒罐。

3.1 选材设计要点

正确的选材是工程安全最基本的保障。表3列出了涉环氧乙烷设备、管道、管件正确的材料选用和应该避免的情形。

3.2 系统设计要点

环氧乙烷工艺系统中，要将防止危险杂质（如水、空气、铁锈等）的混入作为重中之重，同时还要防泄露、防气化和防聚合。环氧乙烷工艺系统设计要点如表4所示。[19-20]

3.3 环氧乙烷贮罐的安全仪表系统

（1）是否设置安全仪表系统的判据

若环氧乙烷贮罐的体积大于11 m3，依照规定必须设置独立的安全仪表系统。根据安监总管三〔2014〕116号文的要求：从2016年1月1日起，化工企业新建涉及“两重点一重大”（即重点监管危险化学品、重点监管危险化工工艺和危险化学品重大危险源）的化工装置和危险化学品贮存设施，要设计符合相关标准规定的安全仪表系统；从2018年1月1日起，所有新建的涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品贮存设施，均要设计符合要求的安全仪表系统。

图3 环氧乙烷贮罐流程范式图

表3 涉环氧乙烷设备、管道、管件、保温等选型选材要点一览表

表4 工艺系统设计要点一览表

（2）安全仪表功能清单

由于环氧乙烷的重大危险源临界量很低，故一般要设置安全仪表系统。表5列出了推荐的安全仪表功能清单。

4 结语

环氧乙烷存贮设施的设计原则、要点和安全设施设置、安全管理要点均基于环氧乙烷的物化特点，具有工程设计的一般性和对象的特殊性，二者相互统一。设计人员和管理者应该牢牢把握环氧乙烷的物化特征，并结合实际工作加以灵活判断和运用，将安全原则和措施贯彻、执行到位。只有如此，才能切实提高设计质量，从源头减少事故发生的可能，保障生产装置安全平稳运行。

表5 安全仪表功能清单