羧基丁苯膠乳生產裝置工藝安全控制措施設計

童曉琪，何永剛，江森明

（杭州杭氧化醫工程有限公司，浙江 杭州 310004）

羧基丁苯膠乳是以丁二烯、苯乙烯、少量羧酸及其他助劑，通過聚合生成的共聚物，是一種帶有藍紫色光澤的乳白色水分散體。其用途廣泛，可用于：（1）造紙：涂布在紙張表面，生產白板紙、銅版紙；（2）地毯背膠；（3）加入水泥，提高粘結性；（4）加入瀝青，生產高標號瀝青等。

羧基丁苯膠乳的生產工藝屬于國家重點監管的危險化工工藝，工業生產中的危險程度主要是由系統中物料和工藝所決定的。羧基丁苯膠乳生產過程中涉及1，3-丁二烯、苯乙烯、丙烯酸等危險化學品的使用，聚合原料及部分助劑的危險性較大，聚合單體有自聚和燃爆危險；聚合反應為放熱反應，過程中熱量若不能及時移出，物料進一步升溫將發生裂解和暴聚，導致溫度失控，甚至造成反應器爆炸和人員傷亡。為提升羧基丁苯膠乳生產領域本質安全水平，從根源上有效防范和堅決遏制重特大事故的發生，本文基于實際生產情況對羧基丁苯膠乳生產裝置的工藝安全設施進行深入研究，不斷優化反應控制措施，選擇合適的乳化體系和引發體系的加入方式，加快反應熱的擴散，提高產品品質，提出合理的設計方案。

1 工藝流程簡介

羧基丁苯膠乳的生產是將丁二烯、苯乙烯、少量羧酸及其他助劑有序加入聚合反應釜內，在一定溫度、壓力下進行聚合得到產品。本文以某年產3 萬t 羧基丁苯膠乳生產裝置為應用背景進行闡述，工藝流程主要包括備料、打底反應、聚合反應、中和脫氣、過濾包裝等工序。

（1）備料：將丙烯酸丁酯、丙烯酸、十二烷基硫醇、丙烯酰胺、乳化劑、液堿等輔助原料通過料泵打入相應的計量槽備用；將1，3-丁二烯、苯乙烯從原料儲罐通過烴泵打入油相混合釜預混；將乳化劑、丙烯酰胺、丙烯酸等通過計量槽自流進入水相混合釜預混；將丙烯酸丁酯和十二烷基硫醇通過計量槽自流進入油相混合釜預混。過硫酸銨水溶液用泵輸送至引發劑混合釜備用。

（2）打底反應：首先用水蒸氣對聚合釜進行置換，然后打開真空泵，對聚合釜抽真空使釜內真空度達到0.08 MPa 以上。關閉真空閥門，向聚合反應釜通過泵輸送去離子水、種子膠、EDTA 鈉鹽溶液（EDTA.Na4）、碳酸氫鈉等，再通過計量泵打入油相物料和水相物料。開啟反應釜的攪拌，并通入蒸汽升溫。升溫至70 ℃左右時，通過計量泵加入過硫酸銨水溶液。

（3）聚合反應：繼續升溫至82 ℃左右，關停蒸汽使其自發反應、升溫，升溫到89 ℃時啟動油相、水相和引發劑計量泵，調節計量泵的流量使其穩定滴加，壓力保持在0.5 MPa，利用夾套冷卻水控制釜內溫度在91 ℃左右，滴加過程需3.5 h。反應結束，保溫1.5 h。

（4）中和脫氣：保溫結束后，用水蒸氣將粗品壓入保溫釜，加入微量引發劑，經反應完成的物料再一次進行長時間保溫，消耗物料中剩余微量游離單體。然后再用水蒸氣一次性壓料進入脫氣釜，加入消泡劑、液堿等處理劑。開蒸氣、抽真空，將蒸氣直接通入脫氣釜中物料的底部，控制脫氣釜中的溫度小于80 ℃，保持脫氣釜微負壓，以脫除少量苯乙烯、丁二烯（極少）等揮發性不飽和物。脫氣合格后將物料經振動篩過濾打至中間罐，開啟攪拌與前批乳液進行充分混合；從脫氣釜脫除的苯乙烯、丁二烯等揮發性不飽和物，經泡沫捕集器除沫，然后冷卻、分離，重新用于生產。

（5）過濾包裝：使乳液通過振動篩過濾，除去凝膠；濾液用成品泵打入成品槽，用振動篩二次過濾后，包裝于200 L 塑料桶中。

2 物料及聚合工藝危險性分析

2.1 物料危險性分析

羧基丁苯膠乳生產過程中使用的主要危險化學品有1，3-丁二烯（穩定的）、苯乙烯（穩定的）、丙烯酸（穩定的）、丙烯酸丁酯（穩定的）、氫氧化鈉溶液、過硫酸銨等，其中1，3-丁二烯（穩定的）、苯乙烯（穩定的）、丙烯酸（穩定的）為國家安全監管總局公布的首批重點監管的危險化學品。主要原輔物料危險特性見表1。

表1 主要原輔物料危險特性一覽表

2.2 聚合工藝危險性分析

聚合反應是國家安全監管總局公布的危險化工工藝，屬于放熱反應，隨著反應的不斷進行，需要及時移出聚合熱，否則隨著物料溫度不斷升高，發生裂解和暴聚，進一步加劇的裂解和暴聚將造成反應釜壓力驟增，繼而引發反應釜爆炸。應重點監控的工藝參數為聚合反應釜內的溫度、壓力、攪拌速率、冷卻水流量等，基于單體物料以及引發劑的易燃易爆性，應嚴格控制其滴加量及滴加速度，使聚合反應各工藝參數在可控范圍，防止裂解和暴聚的發生。

3 工藝安全控制措施

3.1 備料階段工藝安全控制措施

備料階段是將原輔料分別進行預混，可使原料在不反應的前提下，充分混合，以預防在反應釜混合不均而引起的急劇升溫或反應不穩定等不利干擾，同時也能平穩地加料。計量槽均安裝防爆型磁翻板液位計進行計量，為防止物料滿溢，液位計帶高位報警。

丙烯酸、丙烯酰胺及丙烯酸丁酯計量槽設高高液位緊急切斷丙烯酸上料裝置：進料管道上安裝有切斷閥，液位信號與進料開關閥、輸送泵電機聯鎖。油相混合釜、水相混合釜以及引發劑混合釜均安裝有防爆型液位計及稱重模塊，液位計帶高位報警。丙烯酸丁酯進油相混合釜的料管上安裝有切斷閥，油相混合釜的稱重信號與進料切斷閥聯鎖。1，3-丁二烯、苯乙烯進料管道上均安裝有切斷閥，油相混合釜的稱重信號與進料切斷閥、進料輸送泵的電機聯鎖。乳化劑、丙烯酰胺、丙烯酸等進水相混合釜的料管上均安裝有切斷閥，水相混合釜的稱重信號與進料切斷閥聯鎖。過硫酸銨水溶液及去離子水進引發劑混合釜的料管上均安裝有切斷閥，引發劑混合釜的稱重信號與進料切斷閥聯鎖。

3.2 打底反應階段工藝安全控制措施

根據現場操作人員的經驗，打底反應階段反應比較溫和，不會出現飛溫、暴聚的情況，此階段水蒸氣閥開度設為100%，可以有效縮短反應釜升溫時間。去離子水進料管道安裝有流量計、開關閥，流量信號與開關閥聯鎖，準確計量去離子水加入量；聚合反應釜安裝有防爆型液位計、溫度計及稱重模塊，顯示釜內液位、溫度、重量值，液位、溫度、稱重信號均引入集散控制系統（DCS）遠程顯示，稱重信號與水相、油相、去離子水及引發劑進料切斷閥聯鎖，物料稱重量達到設定值聯鎖切斷相應物料進料閥，精準控制反應物料比例，有效減少人員誤操作引發的事故率。

3.3 聚合反應階段工藝安全控制措施

聚合反應是生產羧基丁苯膠乳的核心環節，根據聚合工藝具有危險性的特點，將聚合反應釜內溫度、壓力與釜內攪拌電流、聚合單體流量、引發劑加入量、聚合反應釜夾套冷卻水進水閥形成聯鎖關系，在聚合反應釜處設立緊急停車系統；當反應超溫、攪拌失效或冷卻失效時，能及時加入聚合反應終止劑；設安全泄放系統。

聚合反應階段具體控制設施為：聚合反應釜安裝就地和集中的溫度顯示，溫度信號引入DCS遠程顯示；反應釜夾套蒸汽管安裝開關閥，循環上水管安裝調節閥，釜內溫度異常超過設定值時報警，系統聯鎖調節開大循環上水閥帶走多余反應熱量，降低釜內溫度以解除警報。若釜內溫度繼續上升達到設定高限值時，聯鎖降低攪拌速率并聯鎖停水相、油相及引發劑進料閥，關閉相應計量泵，聯鎖關閉蒸汽閥，全開循環上水閥。循環水總管上設壓力低限報警，防止出現失去循環水的情況而不自知，操作人員接到報警可以及時進行處理。

聚合反應釜安裝就地和集中的壓力顯示。正常工況下，操作人員通過DCS 控制物料計量泵的流量以控制滴加物料（水相、油相及引發劑）的流量。釜內壓力異常達到設定值時報警，系統聯鎖調節開大循環上水閥帶走多余反應熱量，促使反應速度下降，解除壓力警報。若釜內壓力繼續上升達到設定高限值時，聯鎖降低攪拌電機速率，聯鎖停水相、油相及引發劑進料閥，停相應計量泵，聯鎖關閉蒸汽閥，全開循環上水閥使釜內壓力回歸正常水平。當釜內溫度、壓力達到高高限時，聯鎖啟動液堿進料泵，打開終止劑（液堿）進料閥，終止聚合反應。聚合反應釜的攪拌電機設集中運行和電流指示，遠程控制啟停和攪拌速率；設故障聯鎖，當攪拌故障時，聯鎖停水相、油相及引發劑進料閥，停相應計量泵。

考慮到反應釜內物料若不能及時反應，會產生一定量的積累，如果重新再啟動攪拌，可能導致局部反應速度過快，溫度驟升引發副反應，因此建議在DCS 系統中設置開啟反應釜進料閥的前置條件，即攪拌啟動后，才允許打開反應釜水相、油相及引發劑進料閥。

聚合反應釜及油相混合釜均安裝有爆破片和安全閥串聯裝置，爆破片整定壓力低于安全閥整定壓力，爆破壓力低于反應釜設計壓力，安全閥出口均泄壓至應急罐進行后續處理。當自動化生產系統出現異常時，安全儀表系統 (safety instrumented system，SIS)能及時對系統進行干預，進一步保障生產安全。建議有條件的企業將聚合反應釜的釜頂溫度、釜內壓力及攪拌聯鎖進SIS 系統，壓力超高高限、釜頂溫度超高高限以及攪拌故障均可聯鎖停水相、油相及引發劑進料閥，停相應計量泵并加入反應終止劑（液堿）。

3.4 中和脫氣階段工藝安全控制措施

聚合反應釜釜頂蒸汽安裝有開關閥，溫度、壓力信號與釜頂蒸汽開關閥聯鎖。引發劑、終止劑（液堿）、還原劑、氧化劑及消泡劑設有計量槽，計量槽均安裝防爆型磁翻板液位計進行計量，并帶高位報警。計量槽出料管道上均安裝有切斷閥，液位信號與出料開關閥聯鎖。去離子水進料管道安裝有流量計、開關閥，流量信號與開關閥聯鎖。保溫釜夾套用熱水進行保溫，保溫釜釜頂安裝有溫度和壓力變送器，保溫釜釜頂蒸汽安裝有開關閥，溫度、壓力信號與釜頂蒸汽開關閥聯鎖。脫氣釜安裝溫度變送器，并設有溫度報警。通入脫氣釜內的蒸汽進料管上設有開關閥，脫氣釜溫度信號與蒸汽開關閥聯鎖，保證脫氣過程保持最佳溫度。

3.5 過濾包裝階段工藝安全控制措施

脫氣合格后的丁苯膠乳（非危險化學品）通過振動篩二次過濾后裝桶出售。目前很多企業采用人工手動控制閥門進行灌裝操作，考慮到灌裝現場膠乳產品有氣味殘留，操作工人長期吸入會對健康有一定影響，建議有條件的企業采用機器自動灌裝。

4 小結

通過對羧基丁苯膠乳生產各階段工藝流程的詳細剖析，提出符合聚合反應特點的工藝安全控制措施，達到原料平穩有序進料、精準控制反應物料比例、實時監控反應進程參數并及時調整的目的?；诰酆戏磻獑误w自聚及燃爆的特點，設緊急終止劑加入設施，在一定程度上可以減少生產企業的經濟損失和人員傷亡，為企業安全生產保駕護航。