银法甲醛生产过程中氧化反应温度联锁运行优化探讨

2020-03-10

河南化工 2020年1期

(开封龙宇化工有限公司河南省聚甲醛基新材料工程技术研究中心，河南开封 475200)

以甲醇为原料，电解银催化氧化甲醛生产工艺(甲醛生产氧化工艺)是目前国内甲醛工业生产的主流成熟工艺技术。有统计表明，目前全国甲醛生产厂家超过500家，2017年底全国甲醛装置总产能超过4 000万t/a[1]。随着安全科学的发展和安全标准化的进一步严格要求，很多装置安全水平都需要进一步提高，以保障生产长期安全稳定运行。本文结合长期的甲醛氧化生产工艺运行实践，对保障目前氧化反应安全的反应温度超温联锁进行初步的实践探讨和理论分析，推动了甲醛生产安全研究的深化。

1 甲醛生产氧化工艺安全生产条件

甲醇氧化制甲醛是重点危险化工工艺，主原料甲醇、空气和其它辅助配料在氧化反应器中的银床层进行气固相催化氧化反应，反应后的生成气中主要含有甲醛、氮气和其它成分[2]。氧化反应温度高于甲醇的燃点，同时甲醇气和空气配比处于甲醇爆炸极限范围内，生产中加入惰性组分避免爆炸；生产介质和产品都具有易燃、易爆、有毒等危险因素。工艺出现异常状况时，易发生超温、回火、爆炸和高温烧坏设备的危险，以及人员被炸伤、烧伤、中毒甚至死亡的事件[3]。

经过长期的安全生产实践经验和教训总结，对甲醛生产氧化工艺进行不断安全优化。近年来新建装置为了保护氧化反应器，避免超温、爆炸等安全事故，都在DCS系统设置了氧化反应温度超温联锁和氧化反应器冷却系统缺水联锁，老装置也都进行技改加装了这两种联锁系统。其中最关键的是氧化反应温度超温联锁[4]。

2 氧化反应温度超温联锁安全工艺

根据事件频率和可接受程度，设置氧化反应温度超温安全工艺联锁，在氧化反应温度失去控制或者其它严重情况下，及时自动切断进料，降低温度，避免发生后果严重的事故。

在安全生产工艺技术理论的指导下，结合多套生产装置的实践生产经验教训，结合温度对银催化剂的实际影响，结合超温可能造成的危险后果等因素，对氧化反应温度超温分为四个阶段，对自动联锁动作进行分级。

表1 氧化反应超温四个阶段

2.1 第一阶段超温

达到临界点温度时，催化剂不受影响，超过临界点温度后，催化剂可能受轻微影响。发生此种情况，声光报警及时提醒，自动联锁系统不必动作，提醒操作人员及时调整进料配比，恢复正常反应温度和状态，保障生产运行安全稳定。

2.2 第二阶段超温

达到临界点温度时，催化剂受轻微影响，可能使床层阻力加大或者缩短催化剂寿命，但不会发生显著的突变，温度降低后及时调整，生产可以持续进行。发生此种情况，声光报警继续提醒，初级联锁动作，空气自动排放，空气进料流量突降，从而降低反应温度。即联锁全开空气放空阀将空气放空，或紧急减小空气风机转速，从而减少进入氧化反应器的空气量。如果放空阀设置合适，联锁动作发生后，氧化反应温度将会迅速下降，此时操作人员及时查明原因，消除原因后，解除联锁，恢复生产，生产可持续进行。

2.3 第三阶段超温报警

达到临界点温度时，催化剂会受到一定影响，显著增加银层阻力，缩短寿命周期。发生此种情况时，声光报警继续提醒，终级联锁动作，停止空气风机，切断空气原料进入氧化反应器的动力，停止空气进料，降低反应温度。

这种事件发生后，氧化反应温度将快速降低，一般情况下来不及调整，生产运行中断。一般在重新点火开车后，生产可以继续进行，但催化剂寿命周期将缩短；但在迅速明确原因并消除后，解除联锁，氧化反应器温度不太低时(例如300 ℃以上)，也可能不用点火，及时调整后，恢复生产。

2.4 第四阶段失控爆炸

以上两级联锁发生动作后，异常状况仍未消除，氧化反应失控，温度急剧上升，系统压力随温度骤升，达到100 kPa，氧化反应器顶部的爆破板将开裂，由爆破板处释放爆炸压力防止反应器受损。

此阶段现象为氧化反应完全失控状态，发生此现象后，触媒层已经超温融化，氧化器防爆板破裂，装置和系统受到一定程度的破坏，需要较长时间的停车检修和排查原因。

根据分级分段结果，对每个阶段的危害后果进行分析和实践优化，设置不同的联锁控制对策。特别注意分段实践中，对于不同阶段的温度临界点，要结合经典理论、氧化反应器构造、银催化剂、仪表控制系统等因素，不断进行优化和调整。

3 联锁测点分布和容错

为了防止远传温度仪表系统出现数据错误引起联锁误动作，或者出现异常状况时联锁不动作，采用多点监控、异位双联锁、逻辑优选、故障点假设等措施，保障联锁可靠正常运行，减少温度测量参数错误引起联锁误动作或者不动作的概率[5]。

3.1 联锁运行中的四种状态及危害性排序

联锁运行中四种状态如表2所示。

表2 联锁运行中的四种状态

从表2可以看出，联锁运行四种状态中，运行正确有两种，运行错误有两种。根据联锁运行各种状态本身危害程度从小到大排序如下：①无危害。“运行正确”的两种状态，均无危害。②危害生产。“运行错误”“联锁温度尚未达到触发条件，联锁指令发出，联锁装置动作”，此状态发生将引起工艺参数自动调整或停车，影响稳定生产运行，一般不影响安全。③危害安全。“运行错误”“当联锁温度已经达到触发条件时，联锁指令无，联锁装置不动”，此种状态将会导致紧急状况下联锁失效，发生触媒融化、防爆板开裂、氧化反应器受损或其它安全事故。显然，第③种情况危害最大，应优先避免。

3.2 多点监控

甲醇氧化生产甲醛银法工艺催化剂床层一般为15 mm左右，且横戴面积大，为典型的薄床层。为了全面掌握反应状况和温度，为生产运行和安全联锁提供具有代表性、可靠充足的数据，做到安全优质生产。优化分布4个热电偶测温点。床层截面中心处设一双支热电偶测温点，床层截面距中心点1/2至2/3半径的同心圆上均匀设置3处单支热电偶测温点，3个测温点位于此同心圆内接正三角形三个顶点处。

3.3 异位双联锁

把床层分成两部分。一部分为以床层圆心为圆心，1/2半径为半径的同心圆内部；另一部分为剩下的圆环。为了避免联锁系统本身故障，引发3.1③危害安全的状况发生，对这不同部位的两处分别设置联锁，当某一部位联锁系统本身出现故障失效，或需要临时解除时，另一个部位的联锁正常运行。

3.4 逻辑优选

对于两个部位的联锁，分别采用下述数据逻辑优选。对于小同心圆部位，设一中心测温点，为防止测温点故障引起联锁错误，采用双支热电偶，双输出，当其中一支出现故障时，另一支正常工作，此部位联锁温度监测正常工作的分支。对于外圆环部位，设三个测温点，采用单支单输出热电偶。联锁温度同时监测此三个测温点，此部位联锁采用三选二策略，即三个温度点，有两个以上温度点超温时，联锁触发，引起联锁自动调整。