VAE 超高压聚合反应SIS 设计及SIL 定级分析

孙仁龙 刘亚琪

（中国石油工程项目管理公司天津设计院）

VAE乳液外观呈乳白色或微黄色，是醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液的简称， 是以醋酸乙烯和乙烯单体为基本原料，与其他辅料通过乳液聚合方法共聚而成的高分子乳液。 VAE乳液属于水基型粘合剂，无公害，符合现代环保发展要求，在美国通过了FDA认证，广泛用于胶粘剂、外墙外保温、建筑防水、涂料、复合包装材料、建筑水泥砂浆改性、无纺布制造、纸张涂层，以及各种极性与非极性材料的通用粘接等。

1 VAE生产工艺简介

VAE乳液于20世纪60年代中期由美国空气公司（APCI）最先实现工业化，随后，杜邦、瓦克等公司也先后生产出类似的产品，中国台湾大连化学工业股份有限公司于1986年建成第1条VAE生产装置。 目前，国内VAE生产厂家主要有北京有机化工厂、四川维尼纶厂、广西皖维生物质科技有限公司及山西三维化工有限公司等，大多采用低压聚合工艺，其工艺流程一般包括原料、配料、聚合、脱泡和包装5个单元，工艺流程如图1所示。

图1 VAE生产工艺流程简图

为了打破国外高压聚合工艺的技术垄断，经过十多年摸索， 国内某化工厂首次采用具有自有知识产权的超高压VAE聚合工艺， 反应系统设计压力达10 MPa， 反应温度150 ℃， 因温度压力高且涉及许多复杂的热反应和氧化还原反应，系统安全至关重要。

2 安全控制系统设计

2.1 反应系统工艺流程简介

如图2所示， 将配制好的乳化剂体系、 初始VAC加入聚合反应器， 再向反应器中通入乙烯，当达到设定压力后，关闭乙烯阀。 开启反应器搅拌， 并向釜内盘管换热器通入蒸汽预热反应物料，达到初始反应温度后，关闭加热蒸汽。 然后向反应器中加入氧化剂，利用盘管换热器切换加热蒸汽与冷却水来控制反应温度。 当反应时间计时结束，停止向反应器加入氧化剂，利用加热蒸汽保温一定时间。 待保温结束，关闭反应器搅拌器，利用反应器内部余压将物料压入脱泡槽。

图2 反应系统工艺流程简图

2.2 SIS设计

当反应釜温度或压力超限时，联锁动作，SIS对相关泵阀进行顺序控制。 联锁设计如下：

a. 触发联锁保护条件，反应釜温度（四选二）高于140 ℃，反应釜压力（三选一）大于9.5 MPa，辅操作台紧急按钮按下。

b. 联锁保护动作，乙烯进料阀关闭，醋酸乙烯进料阀关闭，引发剂泵关闭，终止剂泵开启，切断阀XV1开启，切断阀XV2开启。

c. 联锁复位操作，反应釜温度压力条件恢复正常，按下“复位”按钮，联锁复位信号灯亮。

d. 紧急联锁按钮， 在未达到联锁条件时，根据工艺反应过程需要，人工启动联锁。

反应系统的联锁逻辑如图3所示。

图3 反应系统联锁逻辑

2.3 SIL定级

根据《国家安全监管总局、住房城乡建设部关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知》安监总管三〔2013〕76号规定，进行了工艺流程和操作规程分析，开展了危险和可操作性（HAZOP）、保护层分析（LOPA）和安全完整性等级（SIL）定级工作。工艺流程包括VAE主装置（PVA配置系统、VAC配置系统、 氧化还原系统、APS系统、反应系统和脱泡系统）和VAC储槽，乙烯蒸发的主要管线和设备。 操作规程包括PVA配药、VAC配药、DTDK配药、APS配药和H2O2配药。

通过对14个节点的HAZOP分析以及19个场景的LOPA分析，共辨识出各类风险等级94个（其中员工伤害风险34个、财产损失风险33个、环境与社会影响风险27个）， 并针对性地提出了70条建议措施。 通过对19个场景的LOPA分析，对5个SIF回路进行了SIL定级［1］。 在采用全部建议的前提下，所有场景的风险均能降至允许风险等级及以下，使得该装置的风险总体上可控。 针对反应系统的HAZOP、LOPA分析提出的建议见表1、2。

表1 反应系统HAZOP分析建议

表2 反应系统SIL定级LOPA分析清单

2.4 SIL定级

根据《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》（安监总管三〔2009〕116号）的规定，对危险化工工艺的重点监控参数、安全控制的基本要求、宜采用的控制方式设计要求对照情况见表3。

表3 反应系统工艺安全控制对照一览表

3 结束语

通过对VAE超高压聚合反应系统分析，提出SIS设计方案， 明确了安全仪表功能回路的SIL等级，提高了本质安全设计水平，保证了装置的安全长周期正常运行。