乙二醇装置环氧乙烷精制单元风险分析及风险管控技术

张 弘，赵振峰，孙佳佳

(1.青岛大学附属医院，山东 青岛 266003；2.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266101；)

环氧乙烷(EO)、乙二醇(EG)是石油化学工业的重要原料，随着我国聚酯行业的飞速发展，对乙二醇的需求强劲增长，给EO/EG行业带来了蓬勃生机，我国EO/EG生产能力和产量逐年上升。

环氧乙烷工艺是国家重点监管的化工工艺生产装置，笔者根据近期多个乙二醇装置HAZOP分析[3]和SIL评估项目，同时结合某石化厂环氧乙烷精制塔爆炸案例[4]，针对环氧乙烷精制单元进行风险分析，为今后环氧乙烷精制单元设计和运行操作提供一些帮助。

1 环氧乙烷精制单元工艺概述

来自乙二醇汽提塔的低醛区釜液，经精制塔进料泵将其中的一部分液体环氧乙烷精制塔。塔顶气体在塔顶冷凝器中冷凝，进入精制塔回流罐中，用回流泵进行塔的回流，多余部分相当于含有大约原料的10%的环氧乙烷作为塔顶馏出物采出，用以脱除甲醛。塔顶采出与塔盘的含乙醛的馏出物汇合，返回到乙二醇汽提塔中。不含环氧乙烷的塔釜液(水)，用精制塔釜液泵经精制塔进料和釜液换热器冷却后，送往环氧乙烷吸收塔塔釜。环氧乙烷精制塔采用再沸器间接加热。

2 环氧乙烷物化特性

环氧乙烷[5]有毒、易燃，是一种具有潜在危险的物质。环氧乙烷分子结构内含氧原子，更重要的是三元环，为不稳定结构，可释放出氧，因此其爆炸上限可以达到100%，此外，环氧乙烷的闪点很低，为-17.8℃，大于等于3%的环氧乙烷的空气混合物是可燃的。

其蒸气能与空气形成范围广阔的爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。若遇高热可发生剧烈分解，引起容器破裂或爆炸事故。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。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。

3 某石化厂环氧乙烷精制塔爆炸事故

3.1 事故简介

某天4时，某石化厂环氧乙烷生产装置岗位人员听到现场有异常放空声，立即对该塔进行紧急处理，采取切断进料、切断加热蒸汽等措施，并赶到现场进行检查确认，发现环氧乙烷精制塔T-430塔顶安全阀起跳。现场监控视频显示，5时37分，塔釜再沸器上封头附近有白烟冒出。6时整，再沸器上封头附近白烟变大。6时01分50秒，再沸器上封头附近起火。现场人员立即通知车间领导，车间立即启动现场应急预案，组织人员进行灭火，并于6时03分42秒报火警。6时04分36秒，精制塔发生第一次爆炸，6时06分10秒，发生第二次爆炸。

爆炸事故造成环氧乙烷精制塔严重损坏，1人轻伤，初步估算直接经济损失46万余元。

3.2 事故分析

根据事故发生过程分析，该事故为环氧乙烷精制塔超压，导致精制塔爆炸事故。根据分析，导致环氧乙烷精制塔超压风险的原因有很多，如环氧乙烷精制塔压力控制阀门开度过小、或环氧乙烷精制塔塔顶回流流量过小、或环氧乙烷精制塔顶冷凝器循环水中断、或环氧乙烷精制塔釜再沸器蒸汽量过大，均可以导致环氧乙烷精制塔超温超压，最终导致火灾爆炸发生。

3.3 风险分析

参照某石化厂爆炸后果[4]，按照中石化风险矩阵标准[2]，该危险场景后果为E，事故初始原因为压力控制回路故障，初始频率为0.1次/年，因此风险等级为E6，为红色重大风险区域，属于不可接受区域。

通常EO精制塔超压风险有如下保护层：

表1 EO精制塔超压风险保护层分析

通过以上保护层，该场景风险等级可以降低至E1，为蓝色区域，在低风险区域。若无其他因素，该EO精制塔超压风险处于可控范围内。

但根据事故最终调查，精制塔回流罐顶部压力控制回路、压力高报警及压力高高联锁取压点共用，当环氧乙烷精制塔塔顶冷凝器回流罐管线中甲醛含量过高时，甲醛聚合堵塞仪表导压管，导致环氧乙烷精制塔控制、报警及联锁失效，最终发生环氧乙烷精制塔系统超压，引发火灾爆炸。

此种情况下EO精制塔超压风险仅有安全阀一层保护层，该场景风险等级为E4，为橙色区域，在较大风险区域。此时该EO精制塔超压风险在较大风险区域，应立即制定计划进行整改。

3.4 整改措施

若无其他因素，精馏塔超压风险处于低风险可控范围内，但通过实际分析，精馏塔超压风险的保护层存在共因失效，违反了独立保护层有效性、独立性原则。该企业针对这种情况，排查装置仪表设置情况，将DCS控制系统、报警及联锁仪表及取压点分开独立设置，防止共因失效。

4 其他环氧乙烷精制单元重大风险分析及管控措施

除了环氧乙烷精制塔超压风险，环氧乙烷精制单元还有很多风险。环氧乙烷精制单元主要设备包括环氧乙烷精制塔、回流罐、回流泵及塔釜泵等设备，针对以上设备设施分析环氧乙烷精制单元存在重大风险及相应的保护控制措施。

(1)环氧乙烷精制塔回流罐液位过低风险

环氧乙烷精制塔回流罐液位过低，环氧乙烷精制塔回流泵可能抽空汽蚀，泵设备损坏，机封泄漏，环氧乙烷泄漏至外界，发生火灾爆炸，导致环氧乙烷精制塔和回流罐发生回火，引发二次爆炸。

参照某石化厂爆炸后果，按照中石化风险矩阵标准，该危险场景后果为E，事故初始原因为回流罐液位控制回路故障，初始频率为0.1次/年，风险等级为E6，为红色重大风险区域，属于不可接受区域。

表2 回流罐液位过低风险保护层分析

通过以上保护层，该风险场景风险等级可以降低至E1，为蓝色区域，在低风险区域。环氧乙烷精制塔回流罐及回流泵应按照上述要求进行设计，可以将风险降至可接受风险范围内。

(2)环氧乙烷精制塔操作不稳定，温度变化过大。

EO精制塔加热蒸汽流量过小，或EO精制塔塔釜液位过高，导致塔底温度过低，塔釜EO含量升高，当蒸汽开度变化过大时，塔釜换热器内EO大量汽化，可能引起塔压升高，部分环氧乙烷水合生成乙二醇，引起再吸收塔发泡。严重时导致环氧乙烷大量分解，塔釜再沸器冒烟起火，塔内环氧乙烷回火爆炸(类似于事故中再沸器上封头附近起火)。

因此当EO精制塔温度过低，进行塔釜升温操作时，应注意加热蒸汽流量，避免蒸汽流量变化过高，防止塔釜温度升高过快。

(3)精制塔回流泵回火爆炸

环氧乙烷是一种极易发生回火爆炸的物质，纯度越高的环氧乙烷回火爆炸威力越大，一般精制塔回流泵易发生火灾事故，极易引起精制塔和回流罐回火爆炸，产生二次爆炸事故。

因此设计中应考虑在回流泵进出口管道及最小回流管线上设置紧急切断阀，当回流泵温度高高时，快速切断阀物料，防止回流泵着火，导致环氧乙烷精制塔及回流罐回火爆炸。

(4)环氧乙烷精制单元存在死区

环氧乙烷易发生自聚分解，生产氧气，导致设备管道局部发生闪爆，管道泄漏，引发更大的事故。导致环氧乙烷分解爆炸的主要原因有设备管线局部存在热点和死区，环氧乙烷流动性过小，在某一部位堆积，形成死区和热点，极易导致环氧乙烷分解。因此在设计过程中要极力避免设备出现死区和热点部位，增加温度监控，增大环氧乙烷流动性。

4 结语

通过以上事故案例分析和对其他因素的风险分析，环氧乙烷精制单元存在的风险主要包括：

(1)环氧乙烷精制塔超压风险，针对此种风险，应设置独立的压力控制、报警及安全联锁系统，同时要求压力取源点要分开设置，防止工因失效。

(2)精制塔回流罐液位是重要的控制参数，液位过低可能导致回流泵抽空损坏发生火灾，因环氧乙烷极易发生回火，导致精制塔和回流罐发生二次爆炸，因此要在回流泵进出口管线设置紧急切断阀，防止其回火爆炸。

(3)在设计过程中要极力避免设备出现死区和热点部位，增加温度监控，增大环氧乙烷流动性。

(4)在设计及正常生产过程中应定期进行风险分析，针对重大风险确定保护措施，确保环氧乙烷精制塔平稳有序运行。