加氫裝置典型安全風險及管控措施

劉 帥

（萬華化學集團股份有限公司，浙江 寧波 315000）

1 加氫反應類型

1）按加氫過程可將加氫反應分為：①直接加氫。氫與一氧化碳或有機物直接加氫，如一氧化碳加氫合成甲醇；己二腈加氫制己二胺。②氫解反應。氫與有機物反應的同時，伴隨著化學鍵的斷裂，如烷烴加氫裂化，甲苯加氫脫烷基制苯，硝基苯加氫制苯胺。

2）按加氫原料可將加氫反應分為：①芳環加氫，如苯胺加氫生產環己胺；②含氧化合物加氫，如丁醛加氫生產丁醇；③含氮化合物加氫，如己二腈加氫生產己二胺、硝基苯催化加氫生產苯胺；④油品加氫，如渣油加氫改質，催化脫蠟生產低凝柴油、潤滑油基礎油等。⑤油品加氫，如渣油加氫改質，催化脫蠟生產低凝柴油、潤滑油基礎油等；⑥臨氫氨化，如聚醚與氨在氫氣條件下與氨反應生產聚醚胺。

2 加氫反應熱估算

加氫反應一般是強放熱反應，反應熱可通過化學鍵能估算[1]，常規化學鍵能見表1。

表1 常見化學鍵能

反應熱=反應物鍵能之和-生成物鍵能之和，以己二腈加氫制己二胺為例。

2E（C≡N）+4E（H-H）-2E（C-N）-4E（C-H）-4E（N-H）=-296 kJ/mol，即1 mol 己二腈和4 mol 氫氣反應會放出296 kJ熱量。

3 加氫反應風險

主要體現在幾方面：①較高操作溫度和操作壓力；②反應放熱不受控時可能引發強烈副反應或二次反應；③高壓串低壓風險；④腈類潛在分解可能會繼而引發強聚合；⑤危險物料溢出風險。以固定床加氫為例，介紹加氫的典型風險和管控措施，如圖1所示。

圖1 固定床加氫反應系統示意

4 典型風險及管控措施

4.1 高壓泵逆流串壓

低壓系統經高壓泵連續輸送物料，當泵故障停時，高壓系統物料（液相或氣相）經高壓泵或回流管線倒流竄入低壓系統，導致低壓系統超壓。建議措施如下。

（1）高壓泵出口管道設置止回閥，壓差大于4 MPa 時建議設置兩個不同形式止回閥。

（2）高壓泵出口管道設置自動切斷閥參與防逆流聯鎖。①高壓泵故障停信號聯鎖關閉切斷閥。②原料罐液位低低、壓力高高聯鎖停止高壓泵并關閉切斷閥。③出口管路壓差低低聯鎖停止高壓泵并關閉切斷閥。

（3）根據相關標準[2]，泵出入口壓差＞4.0 MPa 時，泵入口切斷閥至泵管嘴的管道等級與出口管道等級相同。當此管道等級低于出口管道等級時，入口管道應設置安全閥，按照5 mm 小孔計算倒流量，安全閥排放到安全地點。

（4）高壓泵如果是隔膜泵，應設置膜片破裂報警。在DCS 連續檢測隔膜泵頻率、沖程、實際流量并與供應商提供的特性曲線進行比較，以便在故障初始階段就能發現。

4.2 高壓分離器串壓

反應后物料進入高壓分離罐，高壓分離罐作用一是將氫氣分離，二是將反應母液減壓后送到后處理系統。下游存在兩種超壓工況：減壓控制閥故障全開，大量液相進入低壓系統閃蒸或者高壓系統液位失效，高壓氣相進入低壓系統。建議措施如下。

（1）前后壓差較大時，可以設置限流孔板，調節閥不要設置旁通閥，必須設置時應鎖關。

（2）低壓系統設置安全閥。

（3）高壓分離罐設置兩個以上不同形式液位計。

（4）出料管線設置自動切斷閥，參與防超量聯鎖。①減壓閥后流量高高聯鎖關閉切斷閥；②減壓閥后壓力高高或下游低壓系統壓力高高聯鎖關閉切斷閥；③高壓系統液位低低聯鎖關閉切斷閥。

4.3 反應系統 飛溫

飛溫很大程度上是由反應熱效應與傳熱的相互作用產生的。一方面，反應器內局部熱點（如局部濃度過高、攪拌故障等）發展導致飛溫；另一方面，進入反應器的原料狀態、流量或者外部移熱條件變化，造成熱富集或者深度反應。

（1）選取合適的測溫點。在反應器床層橫向插入鎧裝溫度計，伸入床層直徑15%～30%處，保證測量點溫度不受反應器邊壁效應的影響。根據設備直徑大小，同一高度床層可均布多個測溫點，了解物料分布程度。根據催化劑床層高度，同一軸向方位可以設置上中下多個測溫點，了解實際反應程度。

（2）設計合理的溫控方案。加氫系統的溫度和壓力變化有很大相關性，從控制靈敏度上建議選取溫度變化率快慢的斜率（即溫度變化的二階導數）來控制；當二階導數的數值持續增加時，通過增加冷媒來調節反應速率，當反應被抑制后，觀測系統的壓力變化率（即壓力的一階導數），減少冷媒輸入。

（3）設置超溫聯鎖。①進料溫度高高、床層溫度高高，聯鎖切斷原料供應、切斷氫氣供應、切斷預熱器蒸汽。此聯鎖建議在SIS 中實現。進料溫度高高值確定應考慮反應熱和原料最小稀釋比的情況下的最高溫升不會超過反應器的設計溫度。床層溫度高高值確定應保證不至于使反應體系中任何物料發生分解，或者引發其他二次反應，建議結合熱穩定性試驗結果來確定。②有稀釋劑存在時，必須限制反應進料中原料的最大濃度，避免因反應強放熱超過冷卻系統的能力而導致反應器超溫超壓。因此稀釋劑與原料進料流量比值低低也應聯鎖切斷原料供應、氫氣供應、預熱器蒸汽。此聯鎖建議在SIS 中實現。③如果無法確定溫度高高設定值，流量比值低低設定值，則推薦選擇等溫列管式反應器。如果使用汽包移熱，限定汽包的壓力可以間接限定反應器的最高溫度。汽包中冷凝液的液位低低應聯鎖切斷原料供應、氫氣供應、預熱器蒸汽。此聯鎖建議在SIS 中實現。④對于有物料累積的反應器，如釜式加氫反應器，如果原料進料溫度達不到反應條件，持續進料可能會導致反應釜內原料濃度累積過大，一旦溫度達到有可能導致反應失控。此時進料溫度低低也應聯鎖切斷原料供應。⑤緊急情況下注入急冷氫。測溫點選擇在床層的入口處，調節閥設置在急冷氫的入口管道上。正常情況下，急冷氫調節閥的流量系數為該閥門額定流量系數的1/3以下。以使得急冷氫調節有足夠的余量來提供冷量。⑥為保證系統的安全運行，反應釜還應有可靠的壓力控制和緊急情況下的泄壓措施，在反應釜溫度高高聯鎖動作后，仍無法控制反應時，應進行主動泄壓或觸發聯鎖泄壓。

4.4 反應系統緊急泄壓

加氫裝置一般事故條件下，會通過SIS 緊急切斷進料、投用冷量等方式來保證安全，但當出現如下三種情況，可能會啟動緊急泄壓系統。

（1）反應器溫度出現嚴重超溫，由于加氫是放熱反應，必須將反應熱及時從系統內移出，否則熱累積會導致催化劑床層溫度升高，又會促進反應的加速進行，惡性循環導致飛溫。此時應緊急泄壓。

（2）關鍵設備發生故障，例如循環氫壓縮機停機或出口流量低、反應器循環泵故障，反應系統失去排除熱反應的動力，為避免反應系統超溫造成催化劑和設備損害，必須緊急泄壓。

（3）裝置發生嚴重的事故（比如著火），應手動啟動緊急泄壓系統。

需要在工藝包階段根據反應特性和催化劑性質，確定必須的緊急泄壓速率。根據相關經驗推薦[1]，一般加氫裝置每分鐘泄壓0.7 MPa，當反應溫度降低30℃以上時，觀察下一步的溫度變化趨勢，如果溫度變化可以接受，則停止泄壓，如果飛溫的工況沒有被糾正，反而有惡化的趨勢，則繼續泄壓（實際為了避免泄壓停止后可能再次反應，一般采取完全泄壓至安全狀態）。對于加氫反應劇烈的裝置，需要設置兩級泄壓，第一級每分鐘泄壓0.7 MPa，當反應器的溫度仍然控制不住升高時，打開第二級泄壓，每分鐘泄壓1.4 MPa。只有在第一級聯鎖觸發之后，才能夠觸發第二級聯鎖，減少反應系統和泄壓系統的沖擊。一旦操作恢復可控之后，即可在控制室停止緊急泄壓，聯鎖用的相關閥門一律禁止設置手輪和旁通閥門。

4.5 高壓差換熱器換熱管破裂

加氫裝置都用到高壓差換熱器，如原料預熱器、母液冷卻器。如果直接用蒸汽或循環水則換熱器兩側相差很大。比如物料側設計壓力超過10 MPa，蒸汽或循環水側設計壓力小于1 MPa。規范要求[3]，需要在低壓側設置安全閥并考慮換熱管內管破裂、高壓物料從兩個截面泄放的工況，由于壓差大、泄放過程復雜，安全閥的計算口徑會非常大，并且可能無法及時響應壓力快速上升，導致低壓系統全面破裂。建議措施如下。

（1）優先考慮使用高壓交叉換熱器，用反應器入口冷原料去冷卻反應出口熱母液，管程側和殼程側設計壓力與反應系統設計壓力相同。這樣既可以避免換熱管破裂后高壓系統物料竄入低壓系統的風險，也能節約一部分熱量。

（2）對于高壓冷卻器，可考慮空冷或者翅片管冷卻器。由于換熱管只有一側接觸物料，腐蝕、破裂的可能性更小，因此能夠及時發現微小泄漏。并且即使空冷的電機發生故障，空冷器仍能有部分冷卻能力（正常能力的10%～40%）

（3）必須用冷卻水將物料冷卻到更低溫度時，可考慮套管換熱器或者雙壁高壓管換熱器。

（4）不得不使用循環水或蒸汽管殼式換熱器時，采取以下措施控制腐蝕：①根據介質環境合理選材，如氯離子環境下避免使用奧氏體不銹鋼；②合理控制循環水流速，一般管程循環水流速不低于1 m/s，殼程循環水流速不低于0.3 m/s；③控制冷熱介質溫度，采用循環水冷卻時，工藝介質不高于130℃，循環回水溫度不高于60℃，循環水側管壁溫不高于70℃；④循環水中加入緩蝕劑；⑤換熱管考慮一定腐蝕裕量；⑥換熱管與管板間避免產生縫隙，采用脹接工藝時，必須嚴格控制管子膨脹度及脹接后的管板平整度，換熱管與管板連接也可以考慮內孔焊，焊縫處100%射線探傷；⑦U 型管彎曲處、脹接接頭處、焊縫、波紋膨脹節應進行應力消除；⑧換熱器結構形式應能保證全部排凈；⑨在循環水側和蒸汽側增加pH 或電導率或COD 儀，以及時發現微小泄漏。

4.6 高壓泵備泵檢修

通常高壓泵會一開一備。運行泵故障時，如果進行帶壓檢修會帶來很大的安全風險。如果出于安全考慮停車后檢修，則需要很長時間才能恢復生產。優選的方案是停止所有高壓泵，在對任何高壓泵進行維護工作之前將反應系統壓力完全泄壓。如果必須在一臺高壓泵運行時檢修另外一臺泵，應當經過全面、詳細的風險評估，確保高壓部分和無壓部分可以完全隔離。

只有兩個切斷閥有效隔離才能被視作高低壓的安全隔離，并且要確保在維修期間不會被意外打開。

5 結束語

針對高壓加氫反應常見的典型風險進行了重點分析，并提出了可行的管控措施。實際加氫裝置的風險還有很多，如催化劑風險、氫氣風險等。加氫工藝很復雜，反應器類型、反應工況、后處理工況也不盡相同，每個加氫裝置面臨的風險也會有很大差異，在工程設計和生產運行中需要針對每個風險點深入分析，基于風險采取合理的安全措施，只有這樣才能做到既安全可靠，又經濟合理。