王玉虎

(北京華福工程有限公司天津分公司)

異丁烷脫氫裝置的危險預(yù)防與安全防護

王玉虎

(北京華福工程有限公司天津分公司)

依據(jù)異丁烷脫氫裝置的特點，闡述了各生產(chǎn)單元的危險預(yù)防和安全防護對策。

異丁烷脫氫裝置 安全防護 儀表選型 控制系統(tǒng)應(yīng)用

異丁烯是一種重要的有機化工原料，主要用于制備甲基叔丁基醚(MTBE)、丁基橡膠、異戊橡膠和聚異丁烯。但由于受到汽油油品升級需求的影響，異丁烯市場緊俏，諸多企業(yè)為了搶占市場紛紛斥巨資興建異丁烷脫氫裝置。為此，筆者根據(jù)異丁烷脫氫裝置的工藝特點，從儀表選型、控制系統(tǒng)應(yīng)用等方面對裝置的危險預(yù)防和應(yīng)對措施進行闡述，以保證異丁烷的安全生產(chǎn)與裝置的穩(wěn)定運行。

1 脫氫工藝簡介

異丁烷脫氫裝置采用脫氫工藝技術(shù)，工藝簡圖如圖1所示。

圖1 脫氫工藝簡圖

2 儀表的危險預(yù)防與安全防護

2.1 儀表防爆與防護

異丁烷脫氫裝置的主要危險介質(zhì)為丙烷、醚后液化氣、異丁烯、氫氣、液化石油氣、丙烯、MTBE及正丁烯等，預(yù)計在正常運行時易燃物質(zhì)不會釋放，即使釋放也僅是偶爾短時釋放，所以危險釋放源為二級釋放源。又考慮到裝置為戶外和局部棚式布置，即裝置爆炸危險區(qū)域劃分為2區(qū)，爆炸危險區(qū)域內(nèi)低于地坪(0.00)的坑和溝劃分為1區(qū)。因此，所有現(xiàn)場安裝的電子式儀表應(yīng)滿足防爆等級EEx iaⅡCT4[1]，電磁閥和限位開關(guān)應(yīng)滿足防爆等級EEx d IICT6[1]。

現(xiàn)場安裝的電子式儀表應(yīng)滿足IP65的防護等級[1]，非電子式現(xiàn)場儀表應(yīng)至少滿足IP55的防護等級。

儀表信號電纜采用阻燃性屏蔽電纜，在催化劑連續(xù)再生(Continuous Catalyst Regeneration,CCR)裝置高溫場合中應(yīng)選用阻燃性耐高溫電纜。

2.2 儀表接地與防雷

儀表接地采用等電位接地方式，儀表控制系統(tǒng)側(cè)設(shè)有工作接地和安全接地兩個匯流條，匯總后用兩根接地電纜與電氣接地網(wǎng)絡(luò)連接，接地電阻小于4Ω。

現(xiàn)場盤、分析小屋、儀表電纜橋架、儀表設(shè)備、儀表接線箱和儀表密封接頭的儀表安全接地在現(xiàn)場通過框架直接與電氣接地網(wǎng)絡(luò)連接；工作接地應(yīng)在儀控系統(tǒng)側(cè)接至儀表工作接地匯流條上。

防雷保護區(qū)外的儀表設(shè)備，原則上應(yīng)在現(xiàn)場電子儀表側(cè)和控制系統(tǒng)側(cè)加裝電涌保護器。

中央控制室、現(xiàn)場機柜室和現(xiàn)場控制室的儀表進線口應(yīng)距電氣避雷引下線2m以上。

2.3 核子料位計

CCR裝置(圖2)催化劑料位的檢測采用放射性料位計和料位開關(guān)，放射源為Cs137。

圖2 CCR裝置結(jié)構(gòu)簡圖

放射性料位計的選擇首先要符合GBZ 125-2009規(guī)定的II級防護標準，即距設(shè)備表面5cm處的劑量不大于25μSv/h；距設(shè)備表面1m處的劑量不大于2.5μSv/h[2]。其次，要符合GBZ 114-2006的要求，即鉛罐均帶氣動執(zhí)行機構(gòu)、帶鎖，且開鎖位置不與放射源出射口同向。確保鉛罐開關(guān)靈活好用。制造商應(yīng)采取可靠的安全措施，確保放射源對周圍環(huán)境的影響最低；確保安裝附件完整，鉛罐殼體外有放射源危險標示[3]。探測器的適用環(huán)境溫度為-40～60℃，當探測器處于環(huán)境溫度長期大于60℃的場合(緩沖料斗和反應(yīng)器1～3還原區(qū)下部均屬于長期高溫場合)時，應(yīng)采用水冷版本的探測器用于保護變送單元的電子元件，以防元件過熱受損。最后，放射性儀表的防護等級應(yīng)滿足IP66，放射性儀表的防爆等級應(yīng)滿足EEx d IICT6，而且必須在當?shù)丨h(huán)保局辦理《輻射安全許可證》登記備案。

畢業(yè)于泉州師院美術(shù)學(xué)院美術(shù)教育專業(yè)，2013年創(chuàng)辦小鳥天堂兒童攝影工作室，2017通過英國攝影大師協(xié)會LMPA認證。獲得榮譽包括：WPPI銀獎、PPAC國際線上攝影大賽兒童組第一名、PPAC國際十大攝影師、AsiaWPA國際線上大賽兒童組第一名、AsiaWPA年度兒童組總冠軍。

3 控制系統(tǒng)的危險預(yù)防與安全防護

3.1 氣體檢測系統(tǒng)

異丁烷脫氫裝置存在可燃氣體(丙烷、丁烷、異丁烯和氫氣)，在生產(chǎn)運行過程中可能發(fā)生泄漏的地方設(shè)置氣體檢測器和聲光報警裝置，能夠有效預(yù)防可燃氣體擴散，避免發(fā)生爆炸事故。烴類氣體和氫氣檢測首選催化燃燒型檢測器，測量范圍0～100%LEL[4]。

異丁烷脫氫裝置存在有毒氣體(Cl2和H2S)，在生產(chǎn)運行過程中可能發(fā)生泄漏的地方設(shè)置氣體檢測器和聲光報警裝置，能夠有效預(yù)防有毒氣體擴散，避免發(fā)生中毒事故。有毒氣體檢測首選電化學(xué)型檢測器，測量范圍0～300%MAC[4]。

在CCR裝置再生器鹵化區(qū)和燃燒區(qū)注入氯氣是為了實現(xiàn)氧化/再分散的金屬功能，因此注氯系統(tǒng)需配置漏氯報警儀和氯氣檢測器，每個漏氯報警儀設(shè)置兩個區(qū)域的低漏氯濃度和高漏氯濃度輸出接點。當氯氣檢測器檢測到空氣中含氯量不小于1mg/m3時[4]，預(yù)警系統(tǒng)啟動并發(fā)出聲光報警，提醒有關(guān)人員及時采取措施。

異丁烷脫氫是一個強烈的吸熱過程，受動力學(xué)控制，高溫有利于提高收率，但高溫下催化劑易失活；較低的氫壓對脫氫有利，但實際操作中為抑制結(jié)焦和清除積炭又需要臨氫環(huán)境，故實現(xiàn)該過程具有一定的難度。為了有效防止反應(yīng)器內(nèi)催化劑結(jié)焦，采用注硫系統(tǒng)嚴格控制硫的注入流量(采用科里奧利質(zhì)量流量計測量)和速率，一旦注射中斷會造成反應(yīng)器內(nèi)迅速裂解結(jié)焦[4]。

釋放源確定建議的篩選原則：

a. 動設(shè)備、動機構(gòu)。如氣體壓縮機的動密封、液體泵的動密封及調(diào)節(jié)閥閥蓋等。

b. 經(jīng)常操作的設(shè)施。如采樣口、人工排液(水)口及放空口等。

d. 介質(zhì)密度。如露天場所被測介質(zhì)密度比空氣重。

e. 介質(zhì)濃度。如管道/設(shè)備中被測介質(zhì)濃度較高。

f. 環(huán)境特點。如引起周圍環(huán)境可能發(fā)生爆炸或?qū)θ松斫】翟斐晌ｋU的泄漏，空間、地形造成被測氣體易集聚。將氣體檢測器的輸出信號引入DCS系統(tǒng)機柜獨立的I/O卡件，DCS操作站實時在線監(jiān)控氣體泄漏情況，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，及時提醒操作人員采取相應(yīng)措施。

3.2 DCS系統(tǒng)

異丁烷脫氫裝置中大部分的控制屬于生產(chǎn)過程的連續(xù)測量、常規(guī)控制(連續(xù)、順序及間歇控制等)和操作控制管理，以保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行。DCS系統(tǒng)是動態(tài)系統(tǒng)，始終對過程變量進行連續(xù)檢測、運算和控制，對生產(chǎn)過程進行動態(tài)控制，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。復(fù)雜控制系統(tǒng)有分程控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)及順序控制系統(tǒng)等。

3.3 SIS系統(tǒng)

為了保證現(xiàn)場操作人員的人身安全和大型壓縮機、反應(yīng)器、再生器、精餾塔、加熱爐、冷箱及透平膨脹機等重要設(shè)備的安全運行，依據(jù)裝置的生產(chǎn)運行特點，在異丁烷脫氫裝置中需要設(shè)置SIS系統(tǒng)[5]。

SIS系統(tǒng)按照獨立原則要求，獨立于DCS系統(tǒng)，其安全級別高于DCS系統(tǒng)。在正常情況下SIS系統(tǒng)是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，實時在線監(jiān)測裝置的安全性。一旦生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況，不需經(jīng)過DCS系統(tǒng)，直接由SIS系統(tǒng)發(fā)出保護聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備和人員進行安全保護，避免危險擴散造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

例如，脫丁烷塔再沸器停車(UC-36011)是典型的脫異丁烷塔頂壓力控制，在異丁烷塔頂設(shè)置3臺壓力變送器(3oo2模式)，聯(lián)鎖切斷脫異丁烷塔底再沸器的熱源(低壓蒸汽)，切斷閥氣路配置雙電磁閥能夠有效保證脫丁烷塔的安全平穩(wěn)運行，其聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 雙切斷閥雙電磁閥控制聯(lián)鎖邏輯

4 惡劣工況下的危險預(yù)防與安全防護

由于脫氫反應(yīng)為強吸熱反應(yīng)，因此采用3臺加熱爐和3臺反應(yīng)器進行接力式加熱和脫氫反應(yīng)。冷卻后的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)物壓縮機升壓后送至脫氯部分和反應(yīng)器干燥器，以除去反應(yīng)產(chǎn)物中的HCl、H2S和H2O。從反應(yīng)產(chǎn)物干燥器出來的含氫氣體分為兩部分，一部分進入變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)裝置進行氫氣提純，另一部分進入冷箱系統(tǒng)進行分離。PSA產(chǎn)品氫經(jīng)壓縮機增壓后送至選擇性加氫過程反應(yīng)器、完全飽和過程反應(yīng)器和甲烷化反應(yīng)器。PSA尾氣可用作CCR反應(yīng)器的吹掃氣。冷箱分離出的氫氣一部分用作反應(yīng)產(chǎn)物干燥器再生氣和CCR反應(yīng)器用氣，另一部分作為裝置的燃料氣。冷箱系統(tǒng)產(chǎn)出的液體產(chǎn)品送至醚化部分，異丁烯與甲醇反應(yīng)生成的MTBE送至罐區(qū)，醚化后的C4返回脫氫部分的進料段。

工藝管線和設(shè)備采取防燙措施，能夠有效防止熱能損失和操作人員接觸高溫管道灼傷。閥門采用散熱型結(jié)構(gòu)以防止高溫灼傷。反應(yīng)器下部催化劑管線高溫檢測采用K型表面熱電偶，長形集熱塊與管線采取焊接形式連接于管線表面，溫度變送器引至安全處。工藝管線和設(shè)備采取保冷措施，能夠有效防止冷能損失和操作人員接觸低溫管道凍傷。閥門采用延長型結(jié)構(gòu)以防止低溫凍傷。輸送可燃介質(zhì)的切斷閥采用防火結(jié)構(gòu)，以避免火災(zāi)發(fā)生時的災(zāi)情擴大。

5 結(jié)束語

目前，已經(jīng)建成投產(chǎn)的異丁烷脫氫裝置運行平穩(wěn)，并取得了可觀的經(jīng)濟效益，同時也為化工產(chǎn)品的更新注入了新活力。無論從儀表選型到控制系統(tǒng)應(yīng)用都要嚴格遵守國家標準和行業(yè)規(guī)范，提高異丁烷脫氫裝置在生產(chǎn)運行過程中的安全設(shè)計理念和危機意識，將安全融入到設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)中，確保生產(chǎn)裝置能夠安全高效平穩(wěn)運行。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[2] GBZ 125-2009,含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求[S].北京:人民衛(wèi)生出版社,2009.

[3] GBZ 114-2006,密封放射源及密封γ放射源容器的放射衛(wèi)生防護標準[S].北京:人民衛(wèi)生出版社,2006.

[4] GB 50493-2009,石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[5] GB/T 50770-2013,石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2013.

TQ086.3

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1000-3932(2017)02-0205-04

2016-07-14，

2016-12-08)

王玉虎(1981-)，工程師，從事石油化工、煤化工自控工程設(shè)計工作，291035340@qq.com。