加氫反應裝置設計

李美松，鄭濤，張謙

（杭州大遠智控技術有限公司，浙江 杭州 311100）

加氫反應器是有機化學實驗室和實際生產過程中一種非常重要的設備，不僅可以用作加氫反應的容器，而且也可用于液體和氣體需要充分混合的場合。加氫反應器常用于將石油工業中最難利用的重質部分——渣油加氫轉化為輕質油，從而生產出汽油、柴油等。加氫反應器在化學制藥方面也有廣泛的用途，可作為產品開發、有機化學制品和醫藥品研究的基礎設備，還可用于定量分析工業過程中催化劑的活性。此外，加氫過程還作為一種精制手段，用于除去有機原料或產品中所含少量有害而不易分離的雜質。

常用的加氫反應器大致分為兩類。一類用于高沸點液體或固體（固體需先溶于溶劑或加熱熔融）原料的液相加氫過程，如油脂加氫、重質油品的加氫裂解等。液相加氫常在加壓下進行，過程可以是間歇式的，也可以是連續的。間歇液相加氫常采用具有攪拌裝置的壓力釜或鼓泡反應器，連續液相加氫可采用涓流床反應器或氣、液、固三相同向連續流動的管式反應器。另一類反應器用于氣相連續加氫過程，如苯常壓氣相加氫制環己烷、一氧化碳高壓氣相加氫合成甲醇等，反應器的類型可以是列管式或塔式。

根據《化工工藝設計手冊》[1]，氫氣管道推薦流速不大于8 m/s，放空管內氫氣流動的推動力是釜內外的壓差，靜壓能降低主要轉化為兩部分能量——流體動能和阻力損失。雖然化工原理中有計算摩擦因子以及局部阻力系數的經驗值，但是在實際生產中阻力損失不易計算，而且一般在工程設計中也不會做此精確計算。因為無法確定管道阻力，要保證安全流速，很難確定放空管道需要的起點壓力。

在公開報道的加氫裝置[2-8]中，在放空管出口管道安裝調節閥，并在閥后安裝遠傳壓力表，通過閥門開度控制壓力在微正壓（50 kPa）。由于氣體密度比較小，50 kPa 的推動力已經使氫氣管道的流速遠遠超過安全流速。一般在加氫放空管出口會加水封或者高流量聯鎖蒸汽滅火，當出口流速過高引起靜電起火可以及時撲滅火苗，而且放空管裝有阻火器，防止火苗躥入釜中。但是這些只是防止流速過高可能引起的事故而采取的安全措施，工藝本質上是不安全的，因為并沒有解決放空管超過安全流速的問題。如果管道中的法蘭或者焊縫出現泄漏點，在泄漏點靜電起火，就會引起事故，因此要使工藝本質安全，必須控制管道流速。

為解決上述加氫反應釜放空管道流速不可控的問題，提升生產安全，現設計一種加氫反應釜放空流速控制方案。

1 現有裝置存在的問題

調節氫氣放空管出口的壓力只能起到限流作用，不能起到控制流速的目的，工藝和控制從本質上是不安全的。同時，如果出口管道很長，配管彎頭、管件和閥門多，管道阻力大，流體靜壓頭減少的能量大部分因為管道阻力而損失，轉化為動能部分很少，導致管道流速過低、延長氫氣排放時間和單批次生產的總時間，降低生產效率。

另外，氫氣密度很小，流動需要的推動力很小（不到5 kPa），加上管道阻力，總的推動力不會超過50 kPa，調節閥無法精確地控制如此小的壓力，容易調節過度，無法達到控制流速的目的。為了防止空氣進入加氫系統，一般放空管出口加水封，因此在放空時調節閥后的壓力還必須克服水封的阻力才能排放，而水封高度是波動的（當水自然揮發液位降低時補水），整個管路的阻力又增加了一項不確定性因素。

2 優化設計

對加氫反應的反應裝置進行優化設計，基本結構由氫化釜本體和出料機構，包括設于氫化釜本體頂部的放空管道及設于氫化釜本體底部的釜底出料管組成。放空管道上由靠近氫化釜本體為近端向遠端依次設有限流孔板、放空管流量計、放空調節閥及放空開關閥；控制系統根據放空管流量計反饋信息控制放空調節閥的開度及放空開關閥的開關；反應釜還包括設于氫化釜本體上的進料機構、控溫機構及安全防護機構。在加氫反應中，反應原料一般包括固相催化劑、液相原料及氫氣。反應原料通過進料機構投入反應釜本體中，在反應釜本體中發生加氫化學反應，在反應過程中，控溫機構用于控制反應釜本體的溫度，在所需溫度條件內，化學反應安全防護機構會在反應釜本體內化學反應處于非正常、危險的狀態下采取動作。出料時，固體及液體通過設于氫化釜本體底部的釜底出料管排出反應釜本體，氫氣通過設于氫化釜本體頂部的放空管道排出。加氫反應裝置見圖1。

圖1 加氫反應裝置

為保證氫氣排空時流速可控，保證氫氣排放的安全，該反應裝置通過在氫氣排出的放空管道上由氫化釜本體（1）近端向遠端依次設有限流孔板（2）、放空管流量計（3）、放空調節閥（4）及放空開關閥（5）。在氫氣排出流通放空管道（6）時，限流孔板將高壓氫氣的壓力降到100 kPa 以下，氫氣接著流過放空管流量計，放空管流量計采集氫氣流量信息，并將流量信息反饋給遠端控制系統，控制系統根據流量信息控制設于放空管流量計后的放空調節閥的開度，以保證氫氣的流速。在正常狀態下，放空開關閥處于打開狀態，當通過限流孔板和放空管流量計的氫氣流速超過設定高限值時，自控系統自動關閉放空開關閥，防止釜內氫氣排放因流速過高而引起安全事故。

在本反應裝置中，通過在氫氣排出的放空管道上設計流量控制、阻火設置及出口水封設置，以確保氫氣排空過程的安全性。放空管道上設有阻火器（7），阻火器設于放空開關閥遠端，用于防止放空管道出現起火現象、火苗竄入反應釜本體中。同時，管道出口設有水槽（8）進行水封，當氫氣流速過高引起放空口起火時，可以防止火沿管道竄入釜中。

進料機構設于氫化釜本體頂部，包括固體投料口（9）、液相進料管（10）、氮氣進料管（11）及氫氣進料管（12）。固體投料口用于固相催化劑的投料，液相進料管用于液相反應物料的加料，氮氣進料管用于氮氣的通入，氫氣進料管用于氫氣的通入。氫氣進料管上由靠近氫化釜本體為近端向遠端依次設有第一氫氣開關閥（13）、第二氫氣開關閥（14）、氫氣進料調節閥（15）及氫氣進料流量計（16）；控制系統根據氫氣進料流量計反饋信息控制氫氣進料調節閥的開度，保證氫氣流速。當氫氣流速處于非正常狀態時，控制系統下達指令關閉第一氫氣開關閥（13）和第二氫氣開關閥（17），確保氫氣進料過程的安全性。氮氣進料管上設有第一手動球閥（18）與氮氣支管（19），氮氣進料管與放空管道通過氮氣支管連接，氮氣支管上設有第二手動球閥（20）。在加氫反應開始前，向反應釜本體中通入氮氣，將反應釜本體中的空氣排出。通入氮氣時，打開第一手動球閥，通入氮氣；通入氮氣結束時，關閉第一手動球閥，打開第二手動球閥，使管道中的氮氣通過放空管道排出。

液相進料管（21）上設有液相進料開關閥（22）。控溫機構包括設于氫化釜本體外表面的夾套（23）、設于夾套底部的媒介進料管及設于夾套頂部的媒介出料管。媒介進料管包括熱媒進料管（24）與冷媒進料管（25）2 條支路管道。熱媒進料管設置串聯連接的第一熱媒進口閥（26）與第二熱媒進口閥（27）。第一熱媒進口閥的作用是防止反應釜內反應溫度超高出現爆炸危險，用于緊急關閉。第二熱媒進口閥的主要作用是控制熱媒的進出，保證反應釜的供溫。第一熱媒進口閥在通常情況下處于打開狀態，當反應釜本體溫度過高，遠端控制系統緊急關閉第一熱媒進口閥。冷媒進料管設置并聯連接的第一冷媒進口閥（28）與第二冷媒進口閥（29）。在通常情況下，冷媒介通過第二冷媒進口閥流通媒介進料管，進入夾套內，給反應釜本體供溫。第一冷媒進口閥的作用是作為冷媒進料的備用管道，在第二冷媒進口閥損壞時，通入冷媒介。

媒介出料管包括熱媒出料管（30）與冷媒出料管（31）2 條支路管道。熱媒出料管設置串聯連接的第一熱媒出口閥（32）與第二熱媒出口閥（33）。第一熱媒出口閥在通常情況下處于打開狀態。第二熱媒出口閥的開關用于控制熱媒介的流出。冷媒出料管設置并聯連接的第一冷媒出口閥（34）與第二冷媒出口閥（35）。第一冷媒出口閥在通常情況下處于關閉狀態。第二冷媒出口閥的開關用于控制冷媒介的流出。當需要使反應釜本體處于低溫狀態時，需要使冷媒介處于流通狀態；當第二冷媒出口閥損壞時，第一冷媒出口閥作為冷媒出料的備用管道，流出冷媒介使冷媒介處于流通狀態。

安全防護機構包括設于氫化釜本體頂部的泄爆管（36）及設于泄爆管上的爆破片（37）。當反應釜壓力過高時，爆破片爆破，使反應釜泄壓，防止反應釜本體爆炸。

3 裝置特點

與目前僅能對氫氣排放管口的壓力進行限流的現有方法相比，本文所提出的加氫反應裝置通過結合流量控制、阻火裝置以及出口水封的配置，共同確保氫氣排放的安全性。通過限流孔板限流，保證放空管的壓力降到微正壓，同時閥門前后壓差變小，對調節閥的選型要求降低，也減少內漏風險。控溫機構通過熱媒進口閥、冷媒進口閥、熱媒出口閥及冷媒出口閥的聯動動作，保證反應釜本體內的反應溫度處于正常溫度，避免意外的發生。

4 結語

作為精細化工和化學制藥生產過程中常見設備，加氫反應裝置在多個領域發揮重要作用。本文所設計的加氫反應裝置采用了一系列裝置，包括流量控制、阻火設置以及出口水封等，不僅可以大幅降低反應過程的能耗，還能提高反應效率，更重要的是解決加氫化學反應過程中反應釜排氣管道流速不受控制的問題，從而提升加氫裝置的本質安全性。