加氫反應(yīng)的化工安全設(shè)計探討

蔡永富，李安幫

（浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江 杭州 310012）

加氫反應(yīng)是石油化工、精細化工和醫(yī)藥化工生產(chǎn)過程中常見的化學單元反應(yīng)，它是指有機化合物在一定溫度、壓力和催化劑的作用下，與氫氣的反應(yīng)。工業(yè)上主要的加氫反應(yīng)類型主要有：不飽和鍵加氫、氫解、含氧化合物加氫、含氮化合物加氫、芳環(huán)化合物加氫、油品加氫等。加氫反應(yīng)為強烈的放熱反應(yīng)，大部分是在高溫、高壓條件下進行，具有反應(yīng)溫度高、壓力大、放熱量大、升溫快等特點。

氫氣是無色無味無毒氣體，與空氣混合可以形成爆炸性混合物，其爆炸極限為4.1%～74.1%，爆炸極限極寬，具有高燃爆危險特性。氫氣比空氣輕，在使用過程中漏氣上升滯留屋頂不易排出，而引起爆炸。鋼材在高溫高壓下與氫氣接觸，發(fā)生氫脆，容易導(dǎo)致反應(yīng)釜泄漏，發(fā)生事故；此外，加氫反應(yīng)的催化劑大部分為鈀炭，其遇空氣易燃，因此在催化劑再生、活化過程以及尾氣放空過程易引起爆炸。

綜上所述，加氫反應(yīng)原料及生產(chǎn)過程中具有燃爆危險性。所以在加氫反應(yīng)化工設(shè)計過程中必須采取有效安全控制措施。

1 加氫反應(yīng)操作單元設(shè)置要求

氫氣進料系統(tǒng)：應(yīng)設(shè)置流量計、壓力表、阻火器、開關(guān)閥、止回閥、氮氣吹掃、安全閥以及泄放系統(tǒng)。

安全泄放系統(tǒng)：應(yīng)設(shè)置緊急泄放閥、安全閥、爆破片以及事故應(yīng)急接受槽。

儀表系統(tǒng)：應(yīng)設(shè)置雙套溫度計和壓力表，氫氣進料應(yīng)設(shè)置流量計。

冷卻系統(tǒng)：加氫反應(yīng)釜夾套或者內(nèi)盤管應(yīng)接入冷媒，冷媒管道上設(shè)置開關(guān)閥（或調(diào)節(jié)閥）。

其他系統(tǒng)：安全設(shè)施，包括安全閥、爆破片及緊急切斷裝置等。加氫反應(yīng)釜應(yīng)接入氮氣管道并接放空管道。

2 加氫反應(yīng)裝置控制要求

加氫反應(yīng)重點監(jiān)控工藝參數(shù)包括反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力；反應(yīng)釜內(nèi)氧含量；氫氣進料流量；反應(yīng)釜攪拌速率；反應(yīng)尾氣組成等。

加氫反應(yīng)安全控制的基本要求包括反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力的報警和聯(lián)鎖；氫氣進料流速控制和聯(lián)鎖系統(tǒng)；緊急放空、安全閥、爆破片等安全設(shè)施；緊急冷卻系統(tǒng)；攪拌的穩(wěn)定控制系統(tǒng)；氫氣檢測報警裝置等。

加氫反應(yīng)工藝應(yīng)采用的控制方法如下：將反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力、攪拌電流與氫氣進料流量、反應(yīng)釜夾套和內(nèi)盤管冷媒進口閥、反應(yīng)釜夾套和內(nèi)盤管熱媒進口閥形成聯(lián)鎖關(guān)系，設(shè)立緊急停車系統(tǒng)。加入急冷氮氣或氫氣的系統(tǒng)。當加氫反應(yīng)釜內(nèi)溫度或壓力超標或攪拌系統(tǒng)發(fā)生故障時自動停止加氫，泄壓，并進入緊急狀態(tài)[1]。加氫反應(yīng)釜具體自控方式：加氫反應(yīng)釜超溫或超壓報警，關(guān)閉氫氣進料開關(guān)閥，關(guān)閉反應(yīng)釜夾套和內(nèi)盤管熱媒進出口管道開關(guān)閥，打開反應(yīng)釜夾套和內(nèi)盤管冷媒進出口管道開關(guān)閥，開安全泄放閥。加氫反應(yīng)釜攪拌電機電流發(fā)生異常，關(guān)閉氫氣進料開關(guān)閥，如必要則開緊急泄放閥，關(guān)閉反應(yīng)釜夾套和內(nèi)盤管熱媒進出口管道開關(guān)閥，打開反應(yīng)釜夾套和內(nèi)盤管冷媒進出口管道開關(guān)閥。

3 加氫反應(yīng)裝置設(shè)備材質(zhì)的選擇

根據(jù)加氫反應(yīng)物料特性、使用條件和壽命的要求，從設(shè)備工作條件下材料的物理性能、力學性能和耐腐蝕性能等方面考慮選用安全可靠的設(shè)備材質(zhì)，同時兼顧材料價格、來源及供應(yīng)等情況。設(shè)備材質(zhì)可選用高Cr鋼和Cr-Ni不銹鋼，嚴禁使用黃銅材料。

4 加氫反應(yīng)工藝設(shè)計中應(yīng)注意的其他問題

（1）加氫反應(yīng)的廠房應(yīng)按照甲類建筑物要求設(shè)計，控制室、機柜間、變配電所、化驗室、辦公室等人員密集區(qū)不得與加氫反應(yīng)布置在同一建筑物內(nèi)[2]。加氫反應(yīng)有爆炸危險的房間或者部位應(yīng)設(shè)置泄壓設(shè)施；泄壓設(shè)施宜采用非燃燒體輕質(zhì)屋面板、輕質(zhì)墻體和易于泄壓的門、窗等[3]。泄壓面積應(yīng)符合國家標準《建筑設(shè)計防火規(guī)范》。泄壓設(shè)施的設(shè)置宜靠近有爆炸危險的部位，并應(yīng)避開人員密集場所和主要交通道路。地面采用不發(fā)火花材料，防止鐵器掉落地面時產(chǎn)生火花而引起事故。

因為氫氣比空氣輕，所以加氫反應(yīng)的房間的上部空間，應(yīng)通風良好；頂棚內(nèi)表面應(yīng)平整，避免死角，防止氫氣積聚?？刹捎庙斄荷戏慕Y(jié)構(gòu)形式。加氫反應(yīng)釜的上方應(yīng)設(shè)置可燃氣體檢測、報警裝置。當發(fā)生氫氣大量泄漏或積聚時，應(yīng)立即切斷氣源，進行通風，不得進行可能發(fā)生火花的一切操作。

（2）因為加氫反應(yīng)大部分采用鈀炭類固體催化劑，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生液泛，催化劑堵塞安全閥孔喉，導(dǎo)致安全閥失效或者起跳后無法完好回座，所以加氫反應(yīng)釜安全閥前建議串聯(lián)爆破片。泄放管道應(yīng)接至事故應(yīng)急接受槽，避免出現(xiàn)二次爆炸或污染；事故應(yīng)急接受槽的容積不小于加氫反應(yīng)釜的容積。含氫尾氣的放空管，在管口處應(yīng)設(shè)阻火器，防止回火，并引至室外，管口應(yīng)高出屋脊2 m[4]。

因為氫氣的燃爆性和催化劑的自燃性，加氫反應(yīng)系統(tǒng)使用前應(yīng)進行吹掃置換，可采用氮氣轉(zhuǎn)換法，并應(yīng)在加氫反應(yīng)釜上安裝氧含量分析儀；其放空系統(tǒng)和催化劑活化、再生系統(tǒng)均應(yīng)設(shè)氮封保護，避免與空氣接觸。

（3）氫氣管道的管材應(yīng)采用無縫鋼管，禁止采用鑄鐵管道，管道的連接除與設(shè)備、法蘭的連接可采用法蘭連接外，均應(yīng)采用焊接[5]。氫氣管道、閥門、聯(lián)接件等不應(yīng)選用與介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)的黃銅材料。要加強對設(shè)備的檢查，定期更換管道、設(shè)備，防止氫脆造成事故。管道法蘭、閥門等連接處，應(yīng)采用金屬線跨界，防止靜電積聚。氫氣管道不得穿過與其無關(guān)的建筑物。加氫反應(yīng)相關(guān)電氣設(shè)備防爆等級應(yīng)滿足《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》的要求[6]，其防爆等級應(yīng)為CT4。

5 結(jié)語

加氫反應(yīng)屬于國家安全監(jiān)督總局重點監(jiān)管的危險化工工藝，其反應(yīng)過程具有較大危險性。應(yīng)從加氫反應(yīng)操作單元設(shè)置要求，加氫反應(yīng)裝置控制要求，加氫反應(yīng)裝置設(shè)備材質(zhì)的選擇等方面入手，根據(jù)加氫反應(yīng)特殊性采取具有針對性的安全控制措施，將加氫反應(yīng)生產(chǎn)過程的危險程度降至最低。

[1] 國家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點監(jiān)管的危險化工工藝目錄的通知.安監(jiān)總管三[2009]116號.

[2]GB 50016-2014，建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[3]GB 50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].

[4]GB 4962-2008，氫氣安全使用技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB 50177-2013，氫氣站設(shè)計規(guī)范[S].

[6]GB 50058-2014，爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范[S].

Abstract： According to the requirements of the operating unit of the hydrogenation reaction， the control requirements of the hydrogenation reaction device， the selection of the material of the equipment and so on，the problems needing attention in the design of chemical engineering were summarized.

Keywords： hydrogenation reaction；safety design；control