以环氧乙烷为原料的化工装置的管道专业设计要点分析

摘要：介绍了环氧乙烷的应用及特性，并结合以环氧乙烷为原料的某化工装置，从工程公司管道专业角度阐述了其设备布置要点，并介绍了环氧乙烷管道布置及材料选用原则。

关键词：环氧乙烷;管道;布置;材料

0    引言

环氧乙烷（简称“EO”）是乙烯工业衍生物中的重要化工产品，同时作为精细化工原料，可用于生产防冻剂、聚酯的原料乙二醇等多种精细化工产品，其下游产品也可用于生产表面活性剂、洗涤剂、乳化剂、抗冻剂、增塑剂等[1]，可见其应用的广泛性。但环氧乙烷是易燃易爆易自聚、有毒的危险化学品，属于重点监管的危险化学品。

某化工项目以环氧乙烷和二甲胺为原料，经过胺基化反应生产2-二甲氨基乙醇，产品可用于生产聚氨脂催化剂、涂料、水处理絮凝剂和医药行业等。该项目涉及的原料二甲胺、环氧乙烷属于重点监管的危险化学品，其生产工艺属于安监总局公布的首批重点监管的危险化工工艺目录。由于EO的高毒性危害及火灾危险性，其管道多属于特种设备安全监察范围内的压力管道，因此管道设计的安全性尤为重要。本文将结合该项目，从工程公司管道专业角度阐述此类装置的管道设计要点。

1    环氧乙烷特性

环氧乙烷主要特性参数如表1所示。

EO沸点低（10.6 ℃），一旦泄漏容易气化，由于其相对蒸汽密度大于空气，EO气体容易沿地扩散积聚在低洼处，与空气混合后达到爆炸极限。EO的爆炸极限范围非常广（3%～100%），遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。接触碱金属、氢氧化物或高活性催化剂如铁、锡和铝的无水氯化物及铁和铝的氧化物可大量放热，并可能引起爆炸[2]。按照GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企业设计防火标准》及EO物性，可确定气态EO火灾危险性为甲类，液态EO火灾危险性为甲A[3]，由此可见，其火灾爆炸危险性极高。

EO是一种中枢神经抑制剂，有致癌性，能引起急性中毒及慢性中毒。依据危险化学品目录，EO的急性毒性为类别3*，标记“*”的类别，是指在有充分依据的条件下，该化学品可以采用更严格的类别（类别2）[4]。因此，化工装置中EO属于高毒性危害物质。

2    设备布置设计要点

该项目主要单元包含环氧乙烷卸车站及储罐、二甲胺储罐区、生产装置、生产装置专用冷却水塔、管廊。上下游装置示意图如图1所示。

2.1    环氧乙烷卸车站布置

该项目EO采用槽车运输，其卸车站布置在厂区边缘并避开办公楼中控室等人员集中场所，同时满足了方便运输、物流顺畅、运输路径短、与人员通道交叉少的要求[5]。EO采用顶部卸车，卸车鹤管布置在平台上。平台上方加设遮阳棚，避免阳光长时间直射EO卸车管线。卸车站设计需业主提供槽车参数，包括车长、车宽、车顶平台高度及长宽、接口位置及形式。根据车长考虑回车场空间，卸车站平台需设置折叠梯用于人员通行至槽车顶部，平台高度应与槽车顶部平台高度相当，鹤管长度应根据槽车宽度及停车位置决定，鹤管接口应能满足槽车接口形式。卸车站平台应设置斜梯用于紧急逃生及日常操作。另外，紧急切断阀应布置在距装卸车鹤位10 m以外装卸管道并方便操作的位置，装卸车鹤位与集中布置的泵的距离不应小于10 m。EO卸车站布置如图2所示。

2.2    EO储罐布置

EO储罐与相邻建筑物、道路、泵区、装卸栈台等的距离应满足GB 50160防火间距要求，布置在厂区边缘靠近装卸站并方便物流运输的安全地带，且位于明火及散发火花地点的全年最小频率风向的上风向。该项目EO储罐属于半冷冻式卧式储罐，其操作温度为10～17 ℃，操作压力为0.36 MPa（G）。该储罐设置了不高于0.6 m的防火堤，高度与其他类可燃液体储罐防火堤相比较低，如有少量EO泄漏有利于扩散。防火堤内布置了可燃气体探测仪，如有EO泄漏，将会触发可燃气体探测仪报警，便于及时发现，避免重大事故发生。由于EO蒸汽密度大于空气，防火堤内未设置雨水明沟，以防EO泄漏积聚在明沟内。防火堤内地坪坡向储罐外侧，防止泄漏的EO滞留在储罐附近。防火堤不同方位设置了两个斜梯，方便人员操作通行及紧急逃生。

2.3    生产装置设备布置

该项目生产装置的原料EO及二甲胺火灾危险性均为甲A类，按照火灾危险性划分该装置应为甲类生产装置，其管道布置及设备布置均应至少满足GB 50160防火间距要求，并位于明火及散发火花地点的全年最小频率风向的上风向。

该装置主要設备包含反应器、填料塔、再沸器、冷凝器、产品储罐及附属的机泵等设备。反应器底部设有循环泵及蒸汽发生器，进行物料循环，同时利用蒸汽发生器对反应放出的热量进行回收利用，泵与反应器之间管线尽量短。为了满足应力要求，泵的底部采用弹簧支撑，蒸汽发生器与反应器都支撑在二层结构钢梁上。蒸汽发生器两个设备鞍座采用不锈钢材质，鞍座下方铺设PTFE板以降低摩擦系数;两个鞍座都为滑动支座，以减小热胀对泵的推力，降低对泵管口应力影响，该设计既满足了工艺要求，也通过了应力计算。

装置内2#塔为二甲胺回收塔，根据工艺需要，塔顶冷凝器和塔顶回流罐需要靠近塔顶布置，回流罐内液体依靠重力流返回系统。此外，4#塔为2-二甲氨基乙醇精馏塔，此塔为真空操作，根据工艺需要，塔顶冷凝器需要靠近塔顶布置。综合考虑，采用6层钢结构框架布置以满足工艺需求。由于框架长度超过了8 m，为满足安全逃生及操作要求，在两个不同方向设置两部斜梯。

管道专业在进行设备布置时，除了满足以上工艺要求外，还需考虑操作安全、布局经济合理、便于操作、方便施工及维修等因素。

3    环氧乙烷管道设计原则

3.1    EO管道布置

管道布置通常需考虑以下原则：应符合有关规范标准、满足工艺要求，统筹规划、安全可靠、经济合理，满足操作维修及施工方便等方面的要求，并力求整齐美观，成组布置，便于支撑，改变走向，改变标高，满足柔性要求，不妨碍设备和仪表的操作和维修等[6]。

考虑到EO的火灾危险性及高毒性危害，除上述原则外，其管道布置还需考虑以下方面：EO管线应架空或沿地敷设，不得埋地或布置在管沟内。禁止穿越工厂内危险区域及与其无关的建筑物。其跨越道路的管線上不应设置阀门及易泄漏的管道附件。如管廊上布置有氧气管道，氧气管道属于助燃介质，与EO管线平行布置时净距不应小于500 mm，交叉布置时净距不应小于250 mm。进出装置的EO管线、可燃气体和可燃液体管线在装置的边界处应设隔断阀和8字盲板，并应设置平台方便操作隔断阀。避免EO管线与高温管线布置在一起，最大程度上远离高温管线布置，以免造成EO管线温度升高引发自聚反应。避免EO管线与含有腐蚀性化学品的管线就近布置。管线应做到步步高或步步低，避免气袋和液袋。分支处阀门应距主管距离应做到最短，以减少管线死端。由于EO具有自聚性，EO管线末端都需考虑氮气吹扫管线，一旦EO管线停止运行，需立即清空管线，并使用氮气吹扫至尾气吸收塔进行尾气洗涤处理，绝不允许EO长期滞留在管线中。

3.2    EO管道材料设计

EO接触碱金属、氢氧化物或高活性催化剂如铁、锡和铝的无水氯化物及铁和铝的氧化物可大量放热，并可能引起爆炸，因此管道材料应选用奥氏体不锈钢。管线除需要用法兰连接外，均应采用焊接连接。其垫片应采用PTFE缠绕式垫片，禁止使用石棉橡胶垫片。螺栓应采用不锈钢材质。

阀门应选用波纹截止阀或者性能可靠的球阀，该项目EO管线上选用的全部是进口球阀。阀门关闭时，密封在密封腔内的EO液体将受热蒸发，会产生额外的压力并破坏阀门，根据EO的特点要求此球阀结构本身具有放空腔体，并在腔体两侧加设弹簧，采用此措施释放压力，避免EO长时间积聚在阀腔内造成自聚。

EO管道保冷采用阻燃性能高的泡沫玻璃，外保护皮采用薄不锈钢皮。保冷施工应保证管道防潮和外保护皮的密封性能，严禁水渗透到保冷材料内。通常阀门及法兰连接处不保冷，目的是及时监测到EO泄漏，并防止泄漏到保温层里积聚造成严重事故。该项目设计了法兰夹将法兰包裹起来，并在法兰夹上开小孔再焊接一小段管子，一旦法兰连接处出现EO泄漏，通过小管子末端很容易被及时发现并避免事故发生。

4    结语

化工行业中环氧乙烷应用广泛，同时环氧乙烷也是易燃易爆易自聚高危害毒性化学品，管道专业在进行此类装置设备布置、管道布置及选材设计时，应结合其特性进行安全性设计，保证装置安全可靠、经济合理。

[参考文献]

[1] 于雪燕.关于环氧乙烷在罐区设计中安全问题的讨论[J].山东化工，2016，45（10）：138-139.

[2] 刘书华.环氧乙烷储罐工艺控制及安全设计[J].化工设计，2012，22（6）：7-8.

[3] 危险化学品目录（2015版）：国家安全监督管理总局等10部门公告2015年第5号[A].

[4] 石油化工企业设计防火标准：GB 50160—2008（2018年版）[S].

[5] 化工企业总图运输设计规范：GB 50489—2009[S].

[6] 张德姜，王怀义，刘邵业.石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].北京：中国石化出版社，2004.

收稿日期：2020-02-12

作者简介：李雪峰（1983—），男，河北吴桥人，工程师，研究方向：管道设计。