聚乙烯生产系统粉尘爆炸危险性因素分析与安全对策措施

理工学院 毕 业 论 文 学生姓名 陈帅 学 号 11L 专 业 安全工程 题 目 聚乙烯生产系统粉尘爆炸危险 性因素分析与安全对策措施 指导教师 董文庚 教授 评阅教师 冉海潮 教授 2015 年 6 月 河北科技大学理工学院毕业设计 论文 成绩评定表 姓 名陈帅学 号 11L 成 绩 专 业安全工程 题 目聚乙烯生产系统粉尘爆炸危险性因素分与预防措施 指导教师评语及成绩 指导教师 年 月 日 评阅教师评语及成绩 评阅教师 年 月 日 答辩小组评语及成绩 答辩小组组长 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任 年 月 日 注 该表一式两份 一份归档 一份装入学生毕业设计说明书 论文 中 毕毕 业业 设设 论论 文文 中中 文文 摘摘 要要 本文从近年来国内外高密度聚乙烯 HDPE 生产的发展趋势以及安全现状方 面出发 论述了对高密度聚乙烯生产进行火灾爆炸危险性分析评价的必要性 并 对危险性分析评价方法进行了概述 介绍了高密度聚乙烯的生产工艺 分析了工 艺过程物料 溶剂 催化剂及产品的火灾爆炸危险性 讨论了生产过程中可能的 火灾爆炸事故类型以聚乙烯输送系统为研究对象 从不同角度系统地分析了输送 系统的危险性 应用事故树分析法 EFTA 剖析了引起各种类型火灾爆炸事故的 原因 通过计算每个基本原因事件的结构重要度 确定出对火灾爆炸事故发生起 决定作用的原因事件 作为制定预防措施的重要参考 关键词 高密度聚乙烯 生产工艺 危险性因素 静电 事故树分析 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 1 页 共 27 页 毕毕 业业 论论 文文 外外 文文 摘摘 要要 Title The risk factor analysis and safety measures About the dust explosion of polyethylene production Abstract In this thesis from the point of the development tendency and safe situation of the domestic and international high density polyethylene HDPE production in recent years the necessity that carries out analysis and assessment of fire explosion risk for high density polyethylene production has been investigated And the risk analysis and assessment technique have been summarized The production technology of high density polyethylene has been introduced the fire explosion hazard of the technology stock solvent catalyst and product have been analyzed the possible fire explosion accident type in production process have been discussed fault tree analysis FTA method has been used to analyze the reason of various type fire explosion accident The crucial reason for fire explosion important degree accident has been determined through calculating the structural of every basic reason incident which is the important reference of established precautionary measures Key Words high density polyethylene risk analysis static safety assessment 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 2 页 共 27 页 1 1 引言引言 随着我国经济的快速发展 我国的工业也取得了空间的发展 从一个落后的工业国 家发展到较发达的工业国家 聚乙烯作为工业发展不可或缺的一部分 其生产量和生 产工艺也取得了很大的进步 聚乙烯英文名为 Polyethylene 简称 PE 目前 世界聚 烯烃聚合物产量有 45000 万吨 其中聚乙烯占 70 而占总塑料产量的 45 以上 为 最大的通用塑品之一 按照生产技术开发顺序主要可分为 高压聚乙烯 也称低密度聚 乙烯 HP LDPE 低压聚乙烯 也称高密度聚乙烯 HDPE 线型低密度聚乙烯 LLDPE 1 改革开放初期我国聚乙烯的生产水平较低 生产的聚乙烯不能满足本国 的需求 所以改进生产技术 增加聚乙烯的产量提高质量 应该成为我国发展石油化 工产业的第一要务 二十一世纪初期 我国所需求的进口聚乙烯的量还是非常巨大的 本国的生产水平还是相对较低 不能满足自身的需求量 接近一半的聚乙烯需求量还 仍需要进口 随着世界经济的快速发展 在世界范围内的聚乙烯生产能力也得到了大幅提升 已有 20 世纪 70 年代的 5 万吨 年扩大到 1500 万吨 年的规模 在世界范围内聚乙烯的 生产还主要集中在几个地区和国家范围内 仍有大部分地区和国家还没有长或比较完 善的聚乙烯生产工艺 在较为发达和富裕的国家中 他们已经掌握了最新最完善的生 产工艺 使得他们生产技术达到了很高的境界 然而他们的产量和质量同样也优于他 国 与此同时 其他国家也在不断的改进自己的生产工艺 而在亚太地区则处于快速 增长时期 并且聚乙烯的生产能力已超过欧美国家 我国现处于工业化 城镇化快速 发展的阶段 对于聚乙烯的需求量巨大 并且存在着巨大潜力 聚乙烯生产过程中涉及的物料绝大多数具有危险性 因聚乙烯生产过程要求严格 生产工艺较为复杂多为高温高压的生产条件 导致聚乙烯生产系统危险性因素较多 潜在的危险性因素较多 易发生粉尘燃爆事故 若发生爆炸事故 在爆炸范围内的工 艺设备 人员将会受到严重损害 造成巨大的经济损失 因此 对聚乙烯生产系统的 危险性因素分析及预防是很有必要的 密度在 0 96g cm3以上 聚合压力在 1 9MPa 以下的聚乙烯为高密度聚乙烯 生产 过程中 聚乙烯所涉及的的物料为乙烯 丙烯 丁烯 1 氢气与空气 2 混合的爆炸极限 较宽 三乙基铝作为催化剂是一种见空气易自然的物料 遇水会激烈燃烧而发生爆炸 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 3 页 共 27 页 可燃性液体已烷的闪点较低 聚乙烯作为一种可燃性颗粒在生产运输过程中容易产生 静电导致粉尘爆炸的发生 由于在聚乙烯生产过程中含有的催化剂 工艺物料 及产 品大多数是能够燃烧并且在达到一定程度后发生爆炸的物质 因此需要我们在注重生 产效率和质量的同时要注意生产过程中的危险性因素记忆预防以免发生危险 1 11 1 聚乙烯的物性聚乙烯的物性 聚乙烯是一种柔而韧 密度较小 没有臭味 非毒 犹如蜡 耐低温性能良好的 白色蜡状半透明的材料 3 拥有良好的化学性能 对大多数的酸碱腐蚀有良好的抵抗 性能 静电的损耗和储蓄性能良好 容易燃烧且离火源后能够继续燃烧 聚乙烯吸收 水能力较低 而且水分的很难流通聚乙烯体内 但是聚乙烯内能够通过含有有机物成 分的水蒸气并且易于吸收这种水分 在一般条件的温度情况下很难和其他的溶液相混 合 如果是在不低于 68 就能够和较少含量乙酸戊酷 甲苯 三氯乙烯等溶剂相混合 他们之间是不想排斥的 3 如果聚乙烯出现了结晶的情况时并且是不管升高的就会让 其透光的能力就会出现走低的趋势 在某种固定的情况下聚乙烯的结晶程度也会维持 在一定水平 然而其有明度的情况与分子组成成分有关分子组成不同其分子量也会出 现不同情况 1 21 2 聚乙烯的用途聚乙烯的用途 聚乙烯在薄膜 容器 管道 单丝 电线电缆 日用品的制造过程中有很广泛的 用途 并且可以作为电视 雷达等的高频绝缘材料 因高压聚乙烯和低压聚乙烯自身 的结构特性有所不同 所以在他们的用途中也有差别 1 31 3 聚乙烯的类别聚乙烯的类别 1 3 1 低密度聚乙烯 低密度聚乙烯 LDPE 的成分包括几种物理和化学性质不相同的共聚物 三聚物 和乙烯均聚物 如果均聚物中包括有支链的分子结构是通常我们会称其为高压低密度 聚乙烯 HP LDPE 在一般的工艺过程因为压力水平较高所以我们通常使用的反应 釜的压力比较高还有一种就是采用管式法进行生产 通常情况下生产过程中所使用的 自由基引发剂包括过苯甲酸叔丁酯 过氧特戊酸叔丁酯 十二酰过氧化物和过氧醋酸 丁叔酯等几种成分 4 1 3 2 线性低密度聚乙烯 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 4 页 共 27 页 线性低密度聚乙烯是聚乙烯的第大三类产品 是乙烯和少量比较重的烯烃 像 乙烯 1 辛烯 1 和丁烯 1 等在催化剂作用下 经过高压和低压聚合的共聚物 聚合物 的性质根据其所用的共聚单体的性质不同而不同 通常情况下 LLDPE 的分子结构以其 线性的主链为特征的 仅有为数不多的长支链 在其中还有包含一些较短的支链 没 有长支链使聚合物的结晶性较高 1 3 3 高密度聚乙烯 高密度聚乙烯 HDPE 是结晶度水平比较高并且不是极性材料的具有热塑性能的 树脂 其熔点为 131 相对密度范围为 0 942 0 959 介电能力良好 没有气味 颜色和味道的物质 4 它的耐热性和耐寒性表现良好 化学稳定性也比较好 机械强 度较好 因其性能优良而且原料来源广泛丰富得到广泛的应用 其应用的领域包括电 线 电缆 管道和包装等不同领域 2 2 聚乙烯生产工艺聚乙烯生产工艺 2 12 1 低密度聚乙烯的两种生产工艺低密度聚乙烯的两种生产工艺 采用高压釜的方法制造出的聚乙烯 其生产制造的过程中用到的聚乙烯分子成分 中长支链所占比例较大 可以更方便的进行加工 这些都是高压釜法生产聚乙烯较为 突出重要的部分 生产出的成品可用在涂层 挤出和较高强度重负荷薄膜的生产 因 为如果采用这种方法制得 HP LDPE 乙烯会在生产过程中发生聚合 此过程将会剧烈 的放热 在高压釜的反应过程中乙烯的单程的停留的时间大约为 30 秒 单程的转化效 率为 18 通常情况下一台反应釜只使用一种引发剂 如果只多个釜串联使用 就可 以在不同的釜内采用不一样的引发剂 采用管式法生产的聚乙烯 长支链的数量比釜式法生产的少 适合用于透明包装 膜的生产 因为在 HP LDPE 的生产中 乙烯的聚合反应为自由基聚合的强放热反应 在管式法的反应过程中乙烯典型的单程的停留的时间大约为 45 秒 单程的转化效率为 25 其中在不同的管长内可以采用不同的引发剂 2 22 2 线性低密度聚乙烯生产工艺线性低密度聚乙烯生产工艺 气相 LLDPE 生产工艺被研发并应用于工业生产以前 要想得到聚乙烯通常会使用 压力强度很大的生产工艺还可以使用淤浆法进行生产 气相 LLDPE 生产工艺的最大特 点就是能够从开始反应到结束的整个过程中使用相同的反应器不改变并得到几乎所有 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 5 页 共 27 页 含量的 PE 产品 可以更便捷地面对大众需求 其采用配位催化剂放弃使用自由基引发 剂 或者选取了所占资金比较小的低压气相聚合法 2 32 3 高密度聚乙烯生产工艺高密度聚乙烯生产工艺 高密度聚乙烯的生产方法分为三种形式 分别为气相工艺 溶液工艺和淤浆工艺 6 气相工艺是一种通过流化床反应器 Union Carbide 工艺或 BP 工艺 生产或者通过搅 拌反应器进行生产的 这种方法是将乙烯经过聚合反应直接聚合为固体聚合物的颗粒 淤浆工艺的生产过程包括四种反应器形式为 采用两段反应工艺的搅拌反应器 搅拌 反应器 使用异丁烷作为稀释剂的连环形的反应器 而溶液法工艺则是聚合被溶解在 反应溶剂的中的乙烯为溶于溶剂中的聚合物 这种方法所用的反应器可分为 中压反 应器 低压冷却反应器和低压绝热反应器三种形式 2 42 4 溶液聚合法生产聚乙烯工艺溶液聚合法生产聚乙烯工艺 2 4 1 生产工艺流程 生产工艺流程图如图 1 汽油 催化剂 乙烯 甲烷氢 精馏 络合 净化 净化 聚合 稀释 汽油 分离 含汽油水的聚乙烯汽提 含水 的聚 乙烯 分水 大部 水分 还含 水聚 乙烯 气流 干燥 包装 造粒 其余水 水蒸气 图1 溶液聚合法生产流程图 2 4 2 聚合法生产工艺分析 在此工艺中生产聚乙烯以三乙基铝和四氟化钛的络合物为催化剂 然而这种催化 剂的特性为遇到空气就会发生燃烧 遇水则会发生爆炸 所以在生产过程中应该用氮 气密封或者将其浸没在纯汽油中 不能在其制造 络合 使用 复活 残渣处理的过 程中与空气和水接触 应该定期性的检查容器的密封状况是否良好 如发现损坏应当 及时处理 在高密度聚乙烯生产过程中需要使用的催化剂为络合有机金属催化剂 在 已烷中 通过三乙基铝和四氟化钛溶液的混合反应得到络合催化剂 三乙基铝是一种 化学活性很高的物质 如接触到空气后会发生自然 接触到水后会强烈分解 释放出 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 6 页 共 27 页 易燃的烷烃气体 发生爆炸 属于极易发生火灾爆炸的危险品 催化剂在生产过程中 会因摩擦而产生静电火花引起燃烧 因此在阀孔 缝隙等处不能有催化剂的出现 如 果带压的聚合釜如果出现异常状况像法兰处有泄漏发生 则需要停车经行维修 乙烯如果在活化塔 脱水塔和吸收塔出现时需要将其中含有的微量成分氧 一氧 化碳 水和乙炔 为了防止氧与乙烯形成爆炸性混合物 需要将投料前的塔用高纯氮 或经常加热洗净 要确保聚合釜内的氧气含量在 0 02 以下 需要在投放原料之间 将聚合釜内的气体用高纯氮进行转化 而且所投的原料溶剂不能超过聚合釜容积的 76 85 在发生聚合反应的过程中 为了更好的保证冷却和连续搅拌 防止局部爆 聚的发生需要在生产的整个过程中严格控制温度 压力和时间的准确性 在出料后 为了保持其釜内正压防止空气倒吸进入釜内 釜内要及时充入氮气 清洗反应釜的过 程中 为了防止汽油与釜壁摩擦的发生从而造成产生静电的机会 不能加入过多的汽 油 同时应该控制汽油的流速在 3 6m s 以下 应该将汽油沿壁流下不得从釜顶喷射入 釜 5 该工序采用的沉降式离心机 为避免静电积累产生燃烧现象应该适当的控制出料 的速度 与此同时 要防止汽油落在传送带上避免高速摩擦发热出现燃烧现象 生产经过一段时间后 管道内壁会有聚乙烯粘结现象 使得在长时间的高温情况 下发生分解和释放出可燃易燃的物质 聚乙烯在高速传送的情况下会产生静电现象 因此要经常清洗管道 控制聚乙烯粉料的流动速度 严把管内的温度在 120 以下 管 内各个重要部位应设置蒸汽喷嘴 一旦发生起火现象及时补救 高密度聚乙烯成品呈现出粉状或粒状 通常会经过干燥口从管道直接进入包装袋 内 在装料的过程中应该降低粉料的降落高度 从而避免粉料的高速流动产生静电 如果在包装场所可以适当的增加湿度 那样可以更好的预防事故的发生 挤出或者造粒机一般使用电热丝进行加热 所以应该在房间内安装报警装置防止 乙烯和汽油蒸汽浓度过高 此过程也应在安装排风装置的密闭空间内进行 高密度聚乙烯生产过程中重点控制的对象 压力的大小 聚合釜温度的高低 冷 却水流量 引发剂加入速度的大小和可燃气体逸散 如果突发上述情况发生 将会导 致火灾 爆炸等恶性事故的发生 2 52 5 聚乙烯生产过程中危险成因分析聚乙烯生产过程中危险成因分析 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 7 页 共 27 页 1 在高密度聚乙烯生产过程中 因其反应时的压力高 反应速度快 容易分解 的原因 管式高压法制乙烯反应的条件为压力 250MPa 300 MPa 下进行 温度应该保 持在 280 295 在反应过程中 如果超出了反应范围内的温度和压力 将会出现 异常情况 乙烯会分解成为碳 甲烷 氢气等成分 发生分解时所产生的热量可以使 得分解过程更加剧烈导致爆炸的发生 2 高压反应的设备和管道容易发生泄漏的情况 泄漏到空气中时形成乙烯与空 气的混合气体 如果遇到热或火源将会燃烧或发生爆炸 如果接触到工作人员 还会 发生中毒现象 3 发生聚合反应时会放出分多热量 反应过程速度很快而且不稳定 乙烯发生 反应时效率如果增加十分之一会使参与反应物的温度增加约 14 一旦反应产生的热 量大量积累 如果物料的温度上升到 349 以上时 高压下反应的乙烯将会发生爆炸性 的分解 6 经过二次压缩的乙烯气体将会输入聚合釜中 聚合釜内温度很高将达到 260 压力达到 250MPa 在这种情况下聚合釜内存在着非常大的物理爆炸性危险 如 果加入引发剂后 自由基聚合反应 这种情况下如果加入引发剂的速度过快 导致短 时间内生成大量的具有活性的中间体 最终会导致爆聚合 放空管线将会被堵塞 同 时温度也会在短时间内快速上升 反应斧内的压力就也会快速上升 以上的情况将会 导致物理爆炸发生 若聚合釜爆炸发生 将会有大量的可燃性气体外泄 最终会到时 严重的爆炸事故发生 如果聚合反应完成 会进入冷却器张 聚乙烯和一部分没有反 应的乙烯气体发生分离 此时的压力较大 潜在存在一些物理爆炸的可能 此外 乙 烯气体在高压分离器和低压分离器中都会存在 很容易发生乙烯的泄露 一旦发生泄 漏状况 极易引起火灾爆炸或火灾事故的发生 4 由于聚乙烯生产过程中的高温高压状态 乙烯受到其影响可能在管道或压缩 设备中发生聚合或分解 最终将最导致设配发生胀裂 与此同时 聚乙烯在输送过程 中 由于聚乙烯颗粒与设备的摩擦将会产生静电现象 将会导致局部的爆炸和燃烧 5 聚乙烯的生产过程中所使用的调节剂 引发剂 催化剂和其它助剂都是易燃 易爆危险品 都是潜在的危险源 2 62 6 原料和溶剂火灾爆炸危险性分析原料和溶剂火灾爆炸危险性分析 原料和溶剂的危险性分析如表 1 所示 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 8 页 共 27 页 表 1 原料溶剂的危险性分析 丙烯已烷乙烯丙烯丁烯 1氢气 在本生产中的用途 共聚单 体 溶剂 主聚单 体 共聚单 体 共聚单体 分子量 调节剂 常压沸点 47 668 6 103 8 47 6 6 3 252 7 闪电 107 25 5 136 108 80581100 聚乙烯0 01040020 通过表格中的数据我们可以得到 聚乙烯的自然点最低 引燃所需能量是最小的 其爆炸的下限浓度较低 因此聚乙烯粉尘是上面几种聚烯烃粉尘类中最危险的 因为 粉尘粒径比较小 使得其爆炸的危险性比较大 爆炸危险大的原因是粉尘爆炸是从粒 子着火开始的 着火性能与粉尘的浓度成正比 如果粉尘浓度相同 粒径大的粒子构 成的粉尘云的比面积 比粒径小的粒子构成的粉尘云小 如果在一定的固定空间内粒 子发生热反应空间同样会增大 使得爆炸的机会增大 聚乙烯粉尘类中 低密度聚乙 烯比高密度聚乙烯粒径大 因此高密度聚乙烯粉尘更危险 需要我们在聚乙烯生产过 程中更加重视 8 3 33 3 可燃烃类分析可燃烃类分析 在空气中可燃性粉尘与空气形成混合物可以发生爆炸 然而聚乙烯的运输就是在空 气中运输的 这样就会使生产系统中存在的少量粉尘和烃类与空气混合 如果在输送 过程中聚乙烯粉尘和空气混合后浓度达到爆炸极限 如果在这个过程中遇到点火源就 会发生发生爆炸事故 如果聚乙烯粉尘输送系统中有大量的烃类物质进入 就会是聚 乙烯粉尘的最小点火能量快速降低 也会致使其爆炸的下限下降 8 这些因素最终会使 发生火灾或爆炸的可能性大大增加 图 2 为 PVC 与可燃气体同时存在时可燃气体对 PVC 粉尘爆炸下限的的影响 图 3 为标准的聚乙烯粉尘的最小点火能量和乙烯浓度之 间的关系 并说明了如果乙烯气体的质量分数低于爆炸下限的十分之一时 则乙烯对 粉尘的最小点火能凉的影响比较低 作为一种介质乙烯在管道中运输时 由于摩擦的作用将会产生静电现象 由于静 电聚集所释放出的能量能够将乙烯点燃 乙烯气体容易在法兰连接处发生泄漏 一旦 发生泄漏乙烯作为可燃气体如果遇到静电 将会引起火灾或者化学爆炸 同时 运输 乙烯的管道压力较大 一旦出现异常状况 超过了管道所承受的压力范围 将会发生 物理爆炸 如果乙烯进入一次压缩机 会使得压缩后的温度和压力同时升高 如果超出了可 控范围 物理爆炸 化学爆炸和火灾的危险性也将提升 接下来将会进入二次压缩机 随着气体的压力会持续提高 导致乙烯的温度和压力再次提升 最终会导致物理爆炸 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 11 页 共 27 页 化学爆炸和火灾的风险性进一步增加 要深入的了解装置中的溶质和原料的危险程度 需将他们进行危险程度的计算如下公式 爆炸危险度 爆炸上限 爆炸下限 爆炸 下限 如果粉尘与可燃性气体同时存在时 计算粉尘最小点火能量按照如下公式进行计 算 1 OPT C C G HD D MIE MIEMIE MIE 式中 杂混合物最小点火能 H MIE 可燃粉尘最小点火能 D MIE 可燃气体最小点火能 G MIE C 杂混合物中的可燃气体浓度 Copt 可燃气体爆炸下限浓度 0 2 1 345 50 100 150 200 250 中 值 可 爆 的 甲烷 14 g m3 甲烷 图1 PVC爆炸下限 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 12 页 共 27 页 0 0 51 01 52 0 50 100 150 200 中 值 125 m 中 值 20 m g m3 图2 最小点火能的影响 丙烷 粉 体 其他方面 如果粉尘与可燃烃类物质同时存在时 这样可燃烃类气体的存在会大 大增加粉尘爆炸的危险性 就是说如果增加最大的爆炸的压力和最大压力上升速度 会进一步加大生产系统的危险程度 有机过氧化物是一种活性很高的物质 在一般的条件下对热和光都比较灵活 如 果发生碰撞容易爆炸 在其参与反应的进程中如果温度过高或者过低 就会导致危险 性因素增加最终发生事故 3 43 4 聚乙烯料仓发生闪爆的危险性因素聚乙烯料仓发生闪爆的危险性因素 充足的空气 足够的爆炸物和点火源的存在是料仓发生燃爆事故所必须的条件 因为压缩空气是用来输送聚乙烯颗粒和进行脱气的必要条件 这是应为这一点 就满 足了其中之一的条件空气的存在 料仓内的爆炸物形式可能有粉尘 烃类气体或者两 者的混合物形式存在 3 4 1 烃类气体 聚乙烯的存储地发生燃爆事故的最终原因是由于比较大含量的烃类气体的存在 在聚乙烯存储地内的乙烯气体如果发生爆炸应该在体积分数为 2 5 38 的乙烯浓度范 围内 9 在实际的料仓爆炸事故统计情况来看一般所需的点火能在 0 2mJ 3 4 2 粉尘 只有是在不封闭而且相对自由 聚乙烯的粉尘是在达到了一定的聚集浓度以后 聚乙烯粉尘颗粒的大小形状的规则程度均符合要求才能发生料仓内的粉尘爆炸 如果 粉尘存在的环境的体积低于某一数值后 很难发生爆炸事故只有在明火引燃的条件下 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 13 页 共 27 页 才能发生燃爆事故 因为料仓内含有的聚乙烯颗粒数量较多所以在其存在的空间范围 内聚乙烯粉尘颗粒的浓度也相对较高 而且在料仓内还会存在大了得细粉尘这将会更 容易使粉尘燃爆事故的发生 3 4 3 粉尘 烃类气体混合形式 在实际的运行生产过程中 很少出现仅有烃类气体或者粉尘的情况大多数是两者 同时存在的混合物形式 如果两者混合会使最小点火能大大降低 爆炸浓度的范围也 会降低 这样就会使得料仓内含有两者混合物的时候发生爆炸事故的可能性大大增加 3 53 5 影响聚乙烯粉尘发生爆炸的主要因素影响聚乙烯粉尘发生爆炸的主要因素 1 粉尘浓度 粉尘爆炸的要求是指在粉尘和空气的混合物的浓度范围在其爆炸 下限和上限之间才有可能发生爆炸 但是在一般的情况下 工业中的可燃性粉尘的爆 炸下线在 20 60g m3 而其的爆炸上限在 2 6g m3 标准高密度聚乙烯粉尘和标准低密 度聚乙烯粉尘的爆炸下限一样都是 20 g m3 一旦粉尘云达到爆炸极限 如遇到高温 静电火花就会有发生爆炸的可能 10 2 充足的氧气 粉尘存在爆炸的危险需要在粉尘炫富的空气中含有足够含量的 氧气能够保持其燃烧 不同的成分需的氧气成分含量不同 聚乙烯粉尘的平均直径小 于 26 m 时在 O2 CO2氛围中氧指数是 12 然而在不同的环境中氧指数不同 12 例如在 O2 N2的氛围中氧指数为 10 3 粒径大小 粒径的大小对粉尘爆炸的影响很大 会影响危险事故发生的严重 程度 颗粒直径越小 危险性越大 反应更加强烈 4 粉尘湍流程度 湍流程度作为影响粉尘爆炸的重要部分 对于悬浮在空气中 的粉尘 其湍流度的大小影响更加明显 湍流的程度越大就会使粉尘更好的吸收空气 中的氧气而使得其反应速率更快 最终会导致爆炸的发生 5 空气湿度 空气湿度的大小直接影响了粉尘吸附水分的大小 如果空气中的 湿度较大时 亲水性粉尘就会更好的吸附空气中的水分 这将会导致吸附水分的粉尘 更难弥散到空中和燃烧 同时火焰的传播速度也会减慢 6 足够的温度和点火能量 粉尘的最小点火能量或最小着火能量就是指能够把 粉尘点燃并维持粉尘燃烧的能量 要想使点火源把粉尘点燃需要点火源的能量大于粉 尘的最小点火能 标准高密度聚乙烯粉尘和标准低密度聚乙烯粉尘最小引燃的能量分 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 14 页 共 27 页 别为 390 和 410 11 标准低密度聚乙烯粉尘和标准高密度聚乙烯粉尘的最小点火 能量分别为 30mJ 和 10mJ 7 化学成分 发生爆炸时与有机物粉尘中的化学含量有很大的关系 如果 OH NH2 NO C N N N COOH 等基团存在与有机物粉尘中 则发生爆炸时的危 险性就会增大 当然如果含有钾 钠和卤素时爆炸趋势就会减弱 3 63 6 产品干燥和包装的危险性分析产品干燥和包装的危险性分析 聚乙烯的干燥过程一般在料仓内完成 聚乙烯的固体颗粒小 如果在料仓内有颗粒 粉尘的飞扬 如果爆炸混合物达到了爆炸极限 将会导致粉尘爆炸现象的发生 此外 在聚乙烯的包装过程中聚乙烯粉尘还在空中飘浮 这种情况下粉尘爆炸也会发生 4 4 静电危险性分析静电危险性分析 静电放电通常情况下就是重要的点火源 聚乙烯发生闪爆事故的重要点火源就是聚 乙烯粉料与粒料的静电放电 因为它的带电机理主要为作为不导电的聚乙烯物料在非 常快的传输状态下与输送管路以及物料之间的摩擦 分离 碰撞 分离等因素导致其 发生的 4 14 1 聚乙烯粉尘输送过程静电分析聚乙烯粉尘输送过程静电分析 根据聚乙烯粉体输送而言 主要的放电形式有刷形放电 火花放电 电晕放电和 传播性刷形放电 放电能量的大小跟其放电形式有关 不同的放电形式效果不同 比 如电晕放电是一种属于焦耳型的放电形式 其引燃的危险性比较小 只能引燃一部分 可燃性气体 还有就是刷形放电 其放电的能量仅为 3 7mJ 但其能够引燃大多数的可 燃性的气体和低于其点火能量的粉尘 12 锥形放电也称为堆表面放电 其主要是一种 发生在粉料堆表面的上的一种放电形式 如果要发生这种放电形式需要具备几种条件 较高电阻率的粉料 颗粒表面较为粗糙的粉体颗粒 电荷质量比的较高的粉尘 充装输送的速度大于 0 5kg s 由于堆表面放电的能量较大可达到 10mJ 其能量足以 引燃多数的可燃性气体和粉尘 火花放电的放电能量更大最高可达到 1J 其能量可以 点燃大多数的可燃性的气体和大多数的可燃性粉尘 传播性刷形放电发生的条件主要 是在粘壁料或在 4 8mm 厚的绝缘涂层中 而且要是绝缘涂壁层遭到破坏时 其最高的 放电能量可达到 10J 若达到这个数值能够点燃大多数的危险性可燃气体 可燃性的粉 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 15 页 共 27 页 尘及其混合物和可燃液体的蒸汽 这种放电形式的危险形式是最大的 4 24 2 聚乙烯产品颗粒输送过程中的静电分析聚乙烯产品颗粒输送过程中的静电分析 经过工艺设备的造粒技术后聚乙烯就成为了颗粒状产品 成为颗粒的聚乙烯在送 物料的管线中由压缩过的空气输送进入料仓内 就是在此过程中由于颗粒的快速运动 与管道内壁发生了剧烈地摩擦和持续的碰撞现象 静电主要就是在该过程中生成积累 的 经过大量的理论实践证明 颗粒的带电量和其移动时与内壁冲撞摩擦的速度成正 比 而其物料的流量与单位质量的电荷量成反比 通常情况下的物料的输送管壁的形 状为凹凸不一的麻点状 这种做法是为了减少粒子在传输的过程中与管道内壁发生剧 烈地摩擦而产生热量积累发生的拉丝现象 但是能够让颗粒跳跃式前进的麻点状内壁 就会很好地避免这一向现象的发生 大多数的聚乙烯颗粒的电阻大于 1011 所以即使聚乙烯颗粒与输送管线上所带 电荷数量相等 极性相反 在其管道内输送过程中颗粒由于摩擦产生的静电很难通过 输送管线上的接地设施排除 仅仅能够消除管壁内存在的静电电荷 13 聚乙烯颗粒的输送是由压缩的空气进行输送的 颗粒的带电量的大小和其输送速 度的的快慢 颗粒摩擦碰撞的剧烈程度成正比 其电荷量的增加只是在一定的范围内 成正比例上升 如果颗粒所带电荷量达到了饱和的状态则其电荷量就不会在继续增加 实际工业生产的经验表明 颗粒的运动速度如果呈现一个很高的状态 那么他所达到 电量饱和的时间也就越短 同时通过的管道长度一般不超过几米的距离 因每立方米气流中含有颗粒的数量称之为载荷量 而单位重量的颗粒所带静电电 量称之为荷质比 在颗粒送风的过程中载荷量在一定范围内与荷质比成反比 如果是 在颗粒物运动速度为固定值的的情况下 每个颗粒在管道内流经的时间就会相等 如 果载荷量比较大 颗粒的数量就会变得更多 正是因为这个原因使得各个颗粒在其流 经的管道内发生摩擦和碰撞的机会大大降低 如果颗粒物运送完成后进行下料或者下 料已经完成时 颗粒物所含的电荷量数值比较低 相反的是颗粒所含电量快速上升 比通常情况下正常输送过程所带电量高 这种现象的发生也大大的增加了因静电原因 发生事故的可能性 14 5 5 聚乙烯生产系统事故树分析聚乙烯生产系统事故树分析 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 16 页 共 27 页 5 15 1 聚乙烯粉末爆炸聚乙烯粉末爆炸 高密度聚乙烯生产的过程中 成细粉颗粒状的聚乙烯作为不能流经电流的物质在 其高速度的传导过程的情况下与输送通道以及物料之间会产生摩擦 碰撞 分离等会 产生静电现象 15 而且出现的静电想象是很难消除的 产生的静电数量达到了危险值 后 如果在生产过程中没有保护性气体 这将会使聚合物的粉末与空气混合达到爆炸 极限 容易导致危险性事故的发生 根据高密度聚乙烯生产过程所使用的机械设备来 看 有的地方依然存在很大的危险性像 能够放置很多产品的料仓系统 管道的拐弯 处和管径变化较多的管道系统 筒仓内或管道里面含有混合气的系统 系统中含有旋 风分离器或袋式过滤器 16 5 25 2 聚乙烯粉尘爆炸事故树分析聚乙烯粉尘爆炸事故树分析 事故树分析方法需要我们确定结果事件 中间事件以及基本事件 结果事件就是 最终导致爆炸事故的发生 X1表示为空气及氧化剂 因为可燃物和点火源还包括很多 或事件所以表示为中间事件 M1和 M2 可燃物基本事件粉尘 可燃气体 粉尘和可燃气 混合物分别为 X2 X3 X4 明火 点加热源和电弧分别为 X5 X6 X7 产生静电的过程为造 粒过程 离心干燥 管道输送和卸料的过程分别表示为 X8 X9 X10 X11 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 17 页 共 27 页 图 3 用事故树分析聚乙烯粉体粉尘爆炸事故 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 18 页 共 27 页 求最小割集 T X1M1M2 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 M3 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X1X2X5 X1X2X6 X1X2X7 X1X2X8 X1X2X9 X1X2X10 X1X2X11 X1X3X5 X1X3X6 X1X3X7 X1X3X8 X1X3X9 X1X3X10 X1X3X11 X1X4X5 X1X4X6 X1X4X7 X1X4X8 X1X4X9 X1X4X10 X1X4X11 所以最小割集为 表 3 最小割集表 X1X2X5 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X5 明火 X1X2X6 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X6 电热源 X1X2X7 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X7 电弧 X1X2X8 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X8 造粒 X1X2X9 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X9 离心干燥 X1X2X10 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X10 管道输送 X1X2X11 X1 空气及氧化剂X2 粉尘X11 卸料 X1X3X5 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X5 明火 X1X3X6 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X6 电热源 X1X3X7 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X7 电弧 X1X3X8 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X8 造粒 X1X3X9 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X9 离心干燥 X1X3X10 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X10 管道输送 X1X3X11 X1 空气及氧化剂X3 可燃气体X11 卸料 X1X4X5 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体X5 明火 X1X4X6 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体X6 电热源 X1X4X7 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体X7 电弧 X1X4X8 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体X8 造粒 X1X4X9 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体X9 离心干燥 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 19 页 共 27 页 X1X4X10 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体X10 管道输送 X1X4X11 X1 空气及氧化剂X4 粉尘和可燃气体体X11 卸料 最小径集 T X1M1M2 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 M3 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 所以最小径集为 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 5 35 3 聚乙烯生产设备的设计与安全操作经验聚乙烯生产设备的设计与安全操作经验 5 3 1 管式法反应设计准则 管式反应器是由带接头的长管组合连接而成的 他们的设计出需要在高疲劳的循 环为基础的 经过反复的研究表明 经过长时间的管道压力循环 主要依赖于内壁的 剪应力的大小 然而剪应力的大小只和压力循环的幅度大小和管子的半径的比值有关 因此 设计管式反应器是三个最重要的变数是内壁剪应力波动值的大小 材料的强度 极限和平均剪应力 对于固定操作压力的操作条件 增大管径的比值后 内壁上的 剪应力将会减小 但是如果半径比值超过 2 2 剪应力的大小就不会改变了 自增强的 方法降低内壁的剪应力是一种很切实可靠的方法 还会增加疲劳极限的效果 但是 增大自强管子的半径比值也是有极限值得 如果压力达到了一定的数值 去掉自增强 压力时 内壁会产生压缩屈服的时候 最可靠的方法就是取得适当的疲劳寿命 采取 反应器中最高应力部分的平均压力 17 然而 预热段需要把稳定状态的热应力与内压 所引起的应力相加 在反应段则需要相减 还有就是 在反应器出口处的最大操作压 力有着变小的趋势 然而其脉冲的幅度却不断上升 因此 虽然平均应力和脉冲压力 幅度都可能随着反应器的长度变化 最高的应力条件还是还是可以选择的 然而这些准则对于生产低密度聚乙烯所固有的高压生产状态是不可行的 如果设 计者想要采用高强度的钢材来达到设计规范所要求的安全系数 将会引起脆性破坏和 灾难性的整体泄漏的发生 因此 需要解决的管式反应器设计的问题是 疲劳破裂与 脆性破坏间的平衡问题 5 3 2 釜式反应器的设计准则 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 20 页 共 27 页 使用这类容器需要在指定的压力和温度下工作一个提前预定好的时间周期 由于 机械上的问题或者在生产过程中需要暂停下来 在可以控制的条件下进行使用 或者 乙烯分解时会导致温度的上升 因此 对于乙烯分解这样的剧烈的放热反应 在容器中 快速生成的压力易于超过安全装置预定的最大允许压力 18 所以 我们就可以根据这 个最大允许压力来作为我们设立压力容器的准则 如果把这个压力当做我们在实际操 作过程中的经常会面临的最小压力 那么我们的安全装置就能够很好地应对压力过大 时泄放时所需的防控面积 5 3 3 安全措施 釜式反应器需要我们注意的几项准则包括 内壁上的应变 内部压力的大小和疲 劳持久限及断裂韧性 他们之间的关系是紧紧相关不可分的 所以我们在设计相关准 则是必须全部考虑进去 静电作为料仓发生粉尘爆炸事故的主要危害因素 消除静电很重要 静电的产生 主要是由于摩擦产生的 聚乙烯颗粒在输送的过程中由于输送的速度过快及与内壁之 间的激烈碰撞产生升了大量的静电积累 19 这些静电在进入料仓内会继续积累很难消 除 成为了重要的危险源 对于静电的消除可以采用在聚乙烯颗粒进入料仓的入口的管线出处安装静电消除 器的方法 这样就会大大降低聚乙烯在管道内的积累的静电进入料仓内 很好的避免 了静电在料仓内的大量积累 这种方法依据的原理是 在聚乙烯输送的管道内安装放 电针注入离子流中和粒子中所带静电 通过这个中和的过程可以使物料的带电量维持 在一个很低的水平 增加料仓内壁的静电涂层 由于料仓内含有料仓的风嘴 在风嘴处很容易产生尖 端放电 将风嘴改成平板式并增加防静电的涂层可以很好地避免风口除静电的产生降 低危险性 定期检查料仓内壁的粉料粘壁情况 出现粘壁时要及时清理 防止发生传播型 刷形放电 处理前要把料仓内的物料全部排放干净 增加料仓内湿度 使仓内的相 对湿度不小于 80 增湿时间不得小于 1h 防止处理过程中带电粘壁料脱落时发生传 播型刷形放电 使仓内粉尘闪爆 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 21 页 共 27 页 结结 论论 通过对聚乙烯物料特性及危害性因素 聚乙烯的生产过程 聚乙烯的输送和