高压聚乙烯生产工艺的危险性

高压聚乙烯生产工艺的危险性

高压聚乙烯是目前世界上产量最大、价值较低、用途广泛的通用塑料之一，其薄膜制品、电器绝缘材料、注塑、吹塑制品、涂层、板材、管材在工农业和日常生活中得到普遍应用。根据反应器类型聚乙烯生产可分为釜式法和管式法两种(本文以釜式法为例)。釜式法高

压聚乙烯是以乙烯为单体在100～300 MPa的高压条件下，用氧或有机过氧化物为催化剂经聚合而制得的。因所得的产品密度一般为0.910～0.935，故又称低密度聚乙烯。从消防安全角度看，高压聚乙烯生产庞大、复杂，物料涉及易燃易爆物质，生产在高温高压下进行，具有较大的火灾危险性，若稍有疏忽就可能引起燃烧、爆炸，并且事故发生后常因扑救困难，导致重大损失。因此，如何保证其安全高效地运行，是值得深入探讨的问题。

1．高压聚乙烯生产工艺流程

本工艺以3.3MPa、30ºC的高纯度乙烯为原料，以有机过氧化物为催化剂，经一次压缩机和二次压缩机两次压缩到反应所需压力130～250 MPa，于260ºC 左右高温进入聚合反应釜中，在引发剂作用下，即聚合成低密度聚乙烯。生成的低密度聚乙烯与未反应的乙烯经反应器底部减压阀，进入产品冷却器，冷却到一定温度以后，进入高压分离器，压力降至24.5～29.4 MPa左右，分离出大部分未反应的乙烯，返回二次压缩机进口。从高压分离器底部出来的聚合物经低压分离器，压力降至49kPa，分离出的乙烯返回低压乙烯接受器，熔融的聚合物从低压分离器底部出料，经水下切粒，脱水干燥得聚乙烯颗粒，再经空送混合，加工，可制得各种具有优良性能的低密度聚乙烯成品。

2．高压聚乙烯生产过程的火灾危险性：

2．1 反应压力高，速度快，易分解。釜式法高压聚乙烯反应一般在100～300M Pa下进行，反应过程流体的流速很快，停留于聚合装置中的时间仅为10秒到数分钟，温度保持在150～300ºC。在该温度和高压下，乙烯不稳定，能分解成碳、甲烷、氢气等。一旦发生裂解，所产生的热量可以使裂解过程进一步加剧直到爆炸。

2．2 高压设备和管道易泄漏，形成乙烯与空气的爆炸性混合气体。高压条件下的密封要求很高，否则，乙烯极易泄露，形成的乙烯与空气的混合气体遇火源产生燃烧或爆炸。泄露的原因一般由于：反应器下部波纹管及高压分离器阀件法兰连接处密封被破坏；法兰和高压压缩机连接管的焊接部分的盘根管裂开；管道材

料潜在缺陷引起反应器供氧管道破裂；乙烯在管道内分解造成循环气管道破裂等。此外，乙烯气体在厂房内达到一定浓度时工作人员会产生中毒现象。

2．3 聚合反应为放热和热动力不稳定过程，易引起乙烯爆炸性分解。每1 k8乙烯聚合时可产生约3500kJ的热量，而在聚合的高温高压条件下，乙烯物料的比热约为2.6 kJ／kg℃，所以乙烯聚合转化率升高1％则反应物温度升高12～1 3ºC，如果此热量得不到及时移出，

当物料温度上升到350ºC以上时，高压下乙烯会发生爆炸性分解。

2．4 乙烯可能在管道或压缩设备中聚合或分解，导致设备胀裂。同时，聚乙烯颗粒在输送过程中有可能产生静电，从而导致局部的爆炸和燃烧。

2．5 调节剂、催化剂和其他的化学药品也都是属于易燃易爆的物品。

3．道氏火灾爆炸指数评价

道氏指数评价是根据生产工艺中的物料种类、数量、设备操作条件等数据，以量化的方法对装置的工艺单元潜在的火灾爆炸危险性进行分析，其分析与计算模式如下图所示。

3．1 工艺单元划分

由于评价时只选择对工艺有严重影响的单元进行评价，因此将釜式法高压聚乙烯生产过程划分为一次压缩、二次压缩、超高压换热、聚合反应、高压分离、低压分离六个单元。现以火灾危险性最大的聚合反应装置为例进行评价。其基础数据如下：

物料：乙烯+催化剂有机过氧化物；每十分钟处理量：635kg；进气温度30ºC；出气温度260ºC；乙烯沸点-103.71ºC；爆炸极限2.7％～36％；反应器操作温度160～270℃；反应器设计压力265MPa；操作压力250MPa；试验压力332MP a。

3．2 物质系数选取

在火灾、爆炸指数计算时，物质系数是一个最基本的数值，它表述物质在燃烧或其他化学反应中引起的火灾、爆炸中所释放能量的大小。由于乙烯体积比大于99.95％，所以取乙烯物质系数为反应单元的物质系数。经查美国道化学公司火灾爆炸指数评价(第七版)的《物质系数表》，再经温度修正得MF＝24。3．3 一般工艺危险系数确定(F

)

1

一般工艺危险系数是确定事故损害大小的主要因素。表1为一般工艺危险系数确定。

表1 一般工艺危险系数确定

密闭与室内工艺单元项取0.3，因单元内安装了合理的通风装置，由反应器各安全阀排出的乙烯气体可引至排气筒集中排空，排气筒内安装的自动蒸汽系统与安全阀联锁，当安全阀动作时，蒸汽阀开启，自动喷气。

3．4 特殊工艺危险系数值确定(F

2

)

特殊工艺危险是影响事故发生概率的主要因素，特定的工艺条件是导致火灾、爆炸事故的主要原因。表2为特殊工艺危险系数值确定

表2 特殊工艺危险系数值确定

C项值确定：因为乙烯

N

R

＝2，X＝635×20.8×2.2046×6×103＝0.17471×109英热单位，所以

Log×=—0.75768，LogY＝0.17179+0.42988X(LogX)一0.37244X(LogX)2+0.1771 2X(LogX)3一0.029984×(LogX)4，Y＝0.70

3．5 确定单元危险系数值：

F

3＝F

1

X F

2

＝6.24

3．6 确定火灾爆炸指数：

F&EI=24 ×6.24＝149.76

火灾爆炸指数被用来估计生产过程中的事故可能造成的破坏。表3为F&EI 值与危险程度的关系。