光气化装置安全设计及光气防护措施

王文波(万华化学(福建)有限公司，福建 福州 350311)

1 光气化装置安全设计

1.1 8层次保护

典型化工装置的独立保护层呈“洋葱”形分布，从内到外设计为：安全设计、基本过程控制系统(BPCS)、人员干预及关键报警、主动型物理防护、被动型物理防护、工厂应急响应系统、社区应急响应系统。

1.2 本质安全设计

通过采用最小化、替代、缓和、简化的四种策略消除风险。

选择合适的工艺路线(最小化、替代、缓和、简化)[1]，例如：

(1)遵循装置设备及管线最小和最短化原则，简化工艺流程，设备布局紧凑，减小管道长度，降低光气存量；

(2)选择合适的制备方法，采用CO和Cl2在活性炭催化下进行反应，且入口催化剂稀释，减缓反应速率；

(3)CO和Cl2反应过程，投入CO量比Cl2量多7%～10%，保证Cl2能完全反应；

(4)光气合成塔采用列管式固定床反应器，用水或者导热油将反应热移除，防止局部高温；

(5)光气合成塔壳侧冷媒增加pH在线检测计，定期取样分析；

(6)增加光气合成保护塔，监测Cl2反应效果，防止Cl2过量，光气合成出口管线增加蒸汽伴热，防止光气液化；

(7)选择合适的溶剂(比如氯苯、邻二氯苯)吸收、稀释光气，光气化反应选用氯苯、邻二氯苯作为溶剂，低压力控制；

(8)光气化反应低温控制，低压力控制，采用加入液态光气，气化潜热移除冷反应产生热量；

(9)当管线的液态光气浓度超出20%时需要使用夹套管，对夹套内充氮气采取正压监测保护措施；

(10)密封连接光气反应器的溢流管可以使用双波纹管，同时联系光气分解；

(11)运用R22、冷冻水等介质冷凝排气，尽可能降低排气中光气含量；

(12)反应器材质采用316 L内衬哈氏C合金或者碳钢衬内衬哈氏C合金，提高管道材质、增加压力等级、增加壁厚、选用榫槽面法兰等，定期检测壁厚；

(13)关键管道采用对焊，焊口采用100% X射线探伤；

(14)采用双回路供电回路，关键泵备用柴油发电机机组，设置UPS电源；

(15)采用12% 的氢氧化钠溶液吸收光气，设计大容量储槽足以中和系统内光气的碱液，紧急情况下中和光气，碱液循环泵除正常供电外还要配备柴油泵。

严格的设计标准(管线、设备等)[2]，例如：

(1)光气管线选择16Mn、316 L低温管线材质，阀门采用进口不锈钢无泄漏光气阀门；(2)采用较高压力设计余量，选用较高的管道设计等级，对于设计中存在腐蚀裕量较高的情况加以考虑；(3)使用焊制造工艺，重要焊口利用100%射线来探伤，光气阀门入场进行严格的氨渗测试；(4)工艺配管尽量采用重力自流形式，以减少泵的数量，采用无泄漏屏蔽泵，对反应器搅拌采双端面机械密封保护；(5)光气管线的法兰密封面使用榫槽面密封这一形式，需要尽可能的将法兰数量减少，布置光气管线，同时分开具有危险性以及腐蚀性的管线；(6)装置一般使用双回路的供电系统，同时需要配备紧急柴油发电机组，在安全报警、DCS、照明、信号等系统上配备UPS连续供电系统；(7)对于用电机械和仪表系统采取等级较高的静电防护及防爆设计；(8)对于重要回路以及控制而言，需采用不同测量原理的的仪表，采用DCS及ESD系统，连锁控制越限报警以及安全问题，当电源、气体存在故障时应该保证气开或者是气关切断阀处于安全位置。

2 光气防护措施

2.1 基本过程控制(BPCS)

基本过程控制系统(BPCS)是对日常生产过程进行不间断监测与控制的系统，输出信号产生需经过响应过程以及操作人员的信号输入，从而能够使过程达到期望的运行方式。其主要组成有逻辑控制器、传感器以及最终执行元件。BPCS能够在一定程度上发挥出安全保护作用，一般在安全仪表系统(SIS)前做出反应。

例如：

(1)CO和Cl2的串级控制等；

(2)日常温度、压力、液位、流量的自动控制程序；

(3)光气合成系统的压力控制；

(4)光气吸收塔日常低液位控制。

2.2 关键报警及人员干预

操作人员在系统常规检查、报警响应后避免不良后果出现的行动为报警与响应。

光化装置设置了温度、液位、流量等一级、二级报警机制，提醒操作人员及时对报警信息进行干预。

例如：

(1)光气合成塔的出口温度报警，光气合成塔冷媒流量、温度等报警，光气冷凝器下液温度报警，热反应器温度报警等；

(2)换热器壳侧增加pH计和检测电导率的仪表；

(3)装置各种开停车SOP，紧急处理SOP等。

2.3 安全仪表系统(SIS)

该系统指的是工厂控制系统之中的连锁和报警部分，对于控制系统检测的结果进行停机控制或者是报警动作与调节。当基本过程控制系统(BPCS或DCS)不能维持装置生产在可接受的状态时，安全仪表系统能够使装置回到安全状态下；安全仪表功能基于仪表检测的超限条件，对过程加以控制进入功能安全状态。安全仪表的主要组成部分有逻辑控制器、传感器以及最终执行元件。

光化装置设置了各种联锁，以应对各种温度、压力、液位等异常和有可能造成泄漏的突发状况的联锁按钮，保证系统能及时有效地回归安全状态。并且定期检测联锁系统,确保正常运行。

例如：

(1)光气合成紧急停车系统，光气化反应紧急停车系统；

(2)光气合成系统出口超压排放，光气化反应差压排放系统；

(3)光气合成系统联锁压力选3选2系统。

2.4 主动性物理防护系统

提供差压保护，防止容器灾难性破裂，主要包括爆破片、XV泄放阀、安全阀等。

光化装置在重要的压力控制点，设置了超压泄放系统，并且配备了系紧分解系统，保证光气系统稳定。

例如：

(1)合成塔出口和冷凝系统出口设置超压泄放XV阀；

(2)光气吸收塔气相入口设置差压泄放XV阀和爆破片等密闭排放泄压系统；

(3)光气化反应系统设置超压泄放XV阀和爆破片等。

2.5 被动型物理防护系统

在释放危险物质之后，是一种将释放后果降低的保护措施；其包括防火堤、消防、气防系统、自动喷淋系统。

例如：

(1)装置周围增加围堰，无水监测收集排放系统；

(2)消防水喷淋系统；

(3)氨水喷淋系统(浓度19%)，装置周围和关键光气设备上方设置氨水喷淋管线；

(4)光气设备周围增加密闭空间卷帘门系统，设置负压抽吸系统；

(5)现场设置光气报警仪，人员配备光气检测徽章，现场设置应急空气呼吸器和防化服；(6)中控室设置正压通风系统，配备长管呼吸器；(7)现场监控系统。

2.6 工厂应急响应

对含光气管线以及设备进行计划维修时 ，需应用个人呼吸器设施保证不会吸入光气。

工人通过光气检测徽章能够立即探测到光气吸入这一潜在危险，同时评估出人体极易吸入的光气。

构建装置以及公司级两级事故的抢险预案，开展定期演习演练。现场及其附近人员需要掌握，并反复练习紧急响应计划，对检验应急响应准备做好指引与指导工作。

洗眼器等安全淋浴装置能够将飞溅在个人皮肤与衣服上的液体光气以及含有光气溶液快速去除。

厂内需要设置接受药物治疗设施以及场所，比如设置气防车以及气防站，同时保证其能够24小时待命。

常备专业医护人员联系方法，保证在紧急状态下能够采取有效措施加以应对。

2.7 社区应急响应

针对光气泄漏，制定I级响应级别的处置方案，防止事故扩大至工厂外围，保障周围民众的生命财产安全，并定期组织人员进行预案演习；在园区的要定期组织园区及光气泄漏源演练，定期组织撤离应急预案演练。

3 结语

随着光气生产技术的不断发展，各类应急措施以及安全防护措施越来越完善，在光气化产品快速发展的条件下，光气因为具有特殊化学活性，在化工领域占据重要位置。

针对这一情况，需要从根本上确保生产、使用、储存光气的安全。首先应该减缓光气反应、提升设备材质、采用低温低压工艺等；其次，可以从增加系统监控、设置系统联锁保护、增加人为干预措施等保证安全，降低事故发生的概率；最后，为了减轻事故发生的后果，尽可能完善光气泄漏处置设施和人员防护用品，保证财产和生命安全。