環氧乙烷貯罐安全設施設計要點及工藝流程范式

張澤武

新煤化工設計院（上海）有限公司 （上海 200237）

環氧乙烷（EO）易燃易爆、高毒，其安全防范不僅有石油液化氣的一般性，更有其特殊性。國家質量監督檢驗檢疫總局早在2004年第5號文[1]中就明確限制環氧乙烷的生產。不僅是環氧乙烷的生產單位，涉及環氧乙烷使用的單位也面臨著地方政府越來越嚴格的監管。20世紀90年代建造的一批涉環氧乙烷工廠，由于規范升級、監管趨嚴、政策導向、新上項目門檻提高等方方面面的原因，面臨著要么花大代價改造要么淘汰的艱難抉擇。涉環氧乙烷的安全管理工作也不容樂觀，如2012年8月24日上海金山環氧乙烷罐車泄漏事故、2015年6月南京化工園區內德納化工有限公司工廠環氧乙烷裝置爆炸事故，無一不警鐘長鳴。

1 環氧乙烷的物性及安全特性

復雜的工藝設計過程和高度危害性是涉環氧乙烷裝置、生產的基本特點，而掌握不同工況下環氧乙烷的基本物性是保障安全的關鍵和基礎。環氧乙烷突出的理化特征為毒性、易燃易爆性、聚合性。環氧乙烷為無色帶有醚味的可燃性液體或者無色氣體，可與大多數溶劑（水、乙醇、乙醚、其他有機溶劑）無限混溶；化學性質極其活潑，溫度高于40℃[2]即可自行聚合（相對分子質量為103～105），且放出大量熱量；常溫下亦會受到某些酸堿、金屬氧化物、氯化物的催化作用而發生聚合（從而堵塞管道）。環氧乙烷爆炸時，其溫度可在0.002 s內迅速由571℃上升至1200℃[3]。環氧乙烷的主要物性見表1、表2和圖1、圖2。

表1 環氧乙烷（液態）物性[4]

表2 環氧乙烷（氣態）物性[4，6]

環氧乙烷的職業接觸限值為2 mg/m3，高度危害，易燃有毒，致癌，屬于危險化學品[8]和重點監管的危險化學品[9]。當最低年設計使用量達到《危險化學品使用量的數量標準（2013年版）》的規定（360 t/a）時，需要申領危險化學品使用證。環氧乙烷是一種高度活潑的燒化劑、刺激劑、神經毒劑。急性中毒主要損害中樞神經系統和呼吸系統。環氧乙燒可對呼吸系統產生剌激作用，引起化學性急性氣管支氣管炎、支氣管肺炎、肺水腫。急性環氧乙烷中毒還可出現其他器官功能的異常，如心肌損害、肝、腎功能異常等[10]。

另外，根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范（2018年版）》或GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》，環氧乙烷火災危險性為甲類或甲A類。環氧乙烷極易溶于水，4%及以下的水溶液是火災安全區。環氧乙烷的不安全因素有高溫或明火、雷電、電火花、靜電及引起聚合的介質。其中，易引起聚合的介質包括：氧化劑（如氧氣、空氣），金屬鐵、鋁、錫、汞（汞溫度計）、鉀；金屬氧化物，如氧化鐵（鐵銹）、氧化鋁、氧化錫；堿金屬的氫氧化物（聚醚反應系統就有堿性催化劑，如KOH）；酸；金屬的乙炔化合物等。由不安全因素引發的事故有：安徽省銅陵市第二化工集團化工廠由于環氧乙烷放空時產生靜電引發火花并回火造成爆炸[11；九江化工廠“3·5”爆炸事故[12]，由于停產后未采取清空充氮的保護措施，雷擊導致事故發生；Sterigenics國際公司醫用品滅菌裝置由于誤操作導致環氧乙烷接觸催化氧化器（內有明火），導致爆炸事故的發生。事故案例眾多，不一而足。總之，環氧乙烷必須隔絕一切可能肇事的火源和高溫；對附近電氣設施及其控制實施防爆；附近（15 m范圍內）的附屬金屬設備、管道、結構柱、風管[13]等必須要有導靜電設施；設置防雷設施；隔絕空氣；涉環氧乙烷管道或設備不能用鐵、銅、鎂及其合金材料，最低標準采用不銹鋼材料，罐區內的操作工具都要使用銅制防爆工具。上述每一項不安全因素都是由帶血的事故得到的教訓、總結，工程設計人員和安全管理人員在實際工作中務必要高度重視。

環氧乙烷構成重大危險源的臨界量為10 t[14]。當存貯的量大于10 t（約11m3）時，即構成重大危險源，需要執行重大危險源的相關法規和規范[15-17]。

圖1 EO的飽和蒸汽壓曲線[7]

圖2 5℃和10℃時EO水溶液的飽和蒸汽壓曲線

2 流程設計范式

為便于廣大工程設計者使用，筆者根據對環氧乙烷物性、存貯工藝的理解及實際工程經驗案例，提出環氧乙烷貯罐的流程范式，詳見圖3。

存貯體系由進料系統、貯罐本體、冷卻系統、安全泄放系統、氮封系統、吹掃系統、溫度壓力檢測系統、（氣力）輸料系統、排污系統、分析取樣系統等組成。上述系統對于安全性和功能性而言缺一不可。值得指出的是，氣力輸料不僅比泵輸送的方式節省設備成本，同時也更安全。環氧乙烷在氮氣中的爆炸下限為75%，比在空氣中的爆炸下限（3%）有大幅提高，即更安全。氮氣、環氧乙烷混合總壓力一般達到0.5 MPa；氮封系統也可以采用三閥組（開關閥）的型式[18]。選用泵作為輸料型式時的設計要點請參照3.2章節。卸車環節也是事故易發的關鍵環節，環氧乙烷的卸車程序：（1）車上接通地線，以導出靜電；（2）卸車鶴位與槽車出料管相連接，然后給槽車充氮，氮氣與環氧乙烷混合氣體的總壓保持在0.25 MPa，將環氧乙烷壓入貯罐內；（3）槽車卸完后，充填氮氣，使槽車內總壓力維持在0.25 MPa，以防空氣進入槽車內。

3 環氧乙烷貯罐工藝要點

環氧乙烷貯罐的操作溫度通常為0～5℃，其目的是為了減緩環氧乙烷聚合反應以及減少氣化揮發損失，這意味著必須要有冷卻設施。選用40%乙二醇-水溶液進行冷卻；操作壓力即為相應溫度下的飽和壓力；設計壓力必須大于失冷后的環境溫度（約40℃）所對應的飽和蒸汽壓，取0.8 MPa；單罐裝料系數為0.85，若設置雙罐時，裝料系數可采用0.5，便于需要時倒罐。

3.1 選材設計要點

正確的選材是工程安全最基本的保障。表3列出了涉環氧乙烷設備、管道、管件正確的材料選用和應該避免的情形。

3.2 系統設計要點

環氧乙烷工藝系統中，要將防止危險雜質（如水、空氣、鐵銹等）的混入作為重中之重，同時還要防泄露、防氣化和防聚合。環氧乙烷工藝系統設計要點如表4所示。[19-20]

3.3 環氧乙烷貯罐的安全儀表系統

（1）是否設置安全儀表系統的判據

若環氧乙烷貯罐的體積大于11 m3，依照規定必須設置獨立的安全儀表系統。根據安監總管三〔2014〕116號文的要求：從2016年1月1日起，化工企業新建涉及“兩重點一重大”（即重點監管危險化學品、重點監管危險化工工藝和危險化學品重大危險源）的化工裝置和危險化學品貯存設施，要設計符合相關標準規定的安全儀表系統；從2018年1月1日起，所有新建的涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品貯存設施，均要設計符合要求的安全儀表系統。

圖3 環氧乙烷貯罐流程范式圖

表3 涉環氧乙烷設備、管道、管件、保溫等選型選材要點一覽表

表4 工藝系統設計要點一覽表

（2）安全儀表功能清單

由于環氧乙烷的重大危險源臨界量很低，故一般要設置安全儀表系統。表5列出了推薦的安全儀表功能清單。

4 結語

環氧乙烷存貯設施的設計原則、要點和安全設施設置、安全管理要點均基于環氧乙烷的物化特點，具有工程設計的一般性和對象的特殊性，二者相互統一。設計人員和管理者應該牢牢把握環氧乙烷的物化特征，并結合實際工作加以靈活判斷和運用，將安全原則和措施貫徹、執行到位。只有如此，才能切實提高設計質量，從源頭減少事故發生的可能，保障生產裝置安全平穩運行。

表5 安全儀表功能清單