精細化工間歇催化加氫車間的設計要點

周世海，李愿，丁應新，姚 文

（1.浙江天成工程設計有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

近年來，催化加氫技術在在精細化工生產(chǎn)中得到廣泛的應用。加氫，一般指的是有機化合物與氫氣分子的反應過程，通常在催化劑作用下進行；此類反應屬于強放熱反應，反應物料（如氫氣）具有高燃爆性，且催化劑再生和活化過程易引發(fā)爆炸。加氫工藝與氟化、硝化等危險工藝統(tǒng)一歸類為重點監(jiān)管的危險化工工藝。安全生產(chǎn)及高產(chǎn)品質量是加氫反應中極為重要的，本文結合實際安全改造實施的經(jīng)驗與看法，就加氫反應的設計要點作一概述。

1 加氫車間的總體要求

氫氣易燃易爆，屬于甲類可燃氣體，故加氫車間應按甲類建筑來設計。加氫車間總體應滿足以下要求：

（1）加氫區(qū)域應布置于車間外側的單獨房間內，若多層車間，且應靠車間的頂部；加氫區(qū)域應用防爆墻與車間其他反應區(qū)隔開，加氫區(qū)域與其他反應區(qū)域之間用防爆門斗隔開，如圖1所示。

（2）有些用氫量較少的用氫企業(yè)，當廠區(qū)不具備單獨設置供氫站的條件時，可將占地面積不超過500 m2的用氫車間專用供氫站與耐火等級不低于二級的用氫車間毗鄰，毗鄰的墻應為無門、無窗、洞的防爆防護墻，并宜布置在靠廠房的外墻或端部[1]，如圖2所示。

（3）加氫區(qū)域的耐火等級不應低于二級，且應滿足泄壓要求。根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）3.6.4 條要求： 氫氣的泄壓比 C≥0.25，目前大多精細化工加氫車間或區(qū)域的屋面一般采用輕質屋面板（如輕鋼屋面等）和輕質泄壓墻體相結合，以滿足氫氣大面積泄壓的要求。

（4）氫氣具有易燃易爆性，爆炸極限寬（體積分數(shù)：4%～75%），且其密度小、擴散性強，故加氫區(qū)域屋面應盡量做成平面結構，防止出現(xiàn)積聚氫氣的死角；屋頂墻體之間應留有足夠的空隙，以保持良好的通風，自然通風換氣次數(shù)，每小時不得少于3次；加氫區(qū)域應設置事故通風，事故通風換氣次數(shù)每小時不得少于12次，并與氫氣泄漏報警裝置。

（5）車間地面應做成平整、耐磨的不發(fā)火地面。

圖1 加氫區(qū)域布置示意圖

圖2 供氫站和用氫車間布置示意圖

2 工藝設計要點

2.1 設備選型

（1）加氫反應釜是加氫工藝中最為重要和關鍵的設備，通常加氫釜屬于高壓、高放熱反應的壓力容器，且氫氣易燃易爆，加氫釜的材質應選用耐壓、耐高溫、耐腐蝕（如氫腐蝕[2]）等的材質，一般加氫釜材質選用碳鋼、不銹鋼、鋯、鎳基（哈氏、蒙乃爾）合金及其它復合材料。

（2）加氫反應釜攪拌形式通常有槳葉式、渦輪式、推動式、錨式或框式等，精細化工工業(yè)生產(chǎn)中加氫釜容積多數(shù)為1～3 m3、高徑比較大、反應體系為氣固液三相反應，故加氫釜通常采用多層攪拌槳葉組合形式[3]，這樣能保證比重大的催化劑能上下翻動，使得氣固液體相三相充分接觸，反應充分、穩(wěn)定、高效。

2.2 生產(chǎn)工藝流程設計要點

本文以實際項目中的加氫工藝為例講述其設計要點，生產(chǎn)工藝以中間體，氫氧化鈉為原料、乙醇為溶劑，在催化劑的作用下，通入氫氣進行加氫反應，反應壓力為5 MPa，反應溫度為130℃～135℃，操作步驟如下。

（1）先向加氫釜中加入一定量的乙醇和中間體、催化劑、氫氧化鈉，然后通過高純氮氣置換釜內氧氣。氮氣置換數(shù)次，當釜內含氧量≤1%后，開始通入氫氣置換數(shù)次。

（2）氫氣置換之后，升溫至 130℃～135℃，通入氫氣，通氫時間為10 h，釜內壓力維持在5 MPa左右，攪拌反應約12 h，反應過程中釜內壓力會下降，期間必須間歇補氫數(shù)次，最終當氫氣壓力不再下降為止，視為反應結束。

（3）泄壓并降溫至常溫，氮氣置換數(shù)次，放料。

（4）進行壓濾，催化劑回收套用。

（5）濾液去減壓脫乙醇，濃縮液再去精餾塔精餾得成品。

工藝流程設計時需注意以下幾點。

（1）加氫工藝的加熱、冷卻一般通過夾套和釜內盤管來實現(xiàn)，加熱介質通常有蒸汽或導熱油加熱（有些高溫或忌水反應時會采用導熱油作為加熱、冷卻介質）；冷卻介質為循環(huán)水或冷油。

（2）通常加氫反應的催化劑為雷尼鎳、鈀碳、釕碳催化劑等，根據(jù) 《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）表 3.1.1，雷尼鎳、鈀碳等屬于甲 3 項易自燃固體，暴露在空氣中容易與氧氣發(fā)生氧化反應、放熱，因此，加氫催化劑應儲存于專用的甲類倉庫中，投料及活化過程中應在氮氣保護下進行處理。

（3）高壓加氫釜放空過程中必須緩慢放空，設置放空調節(jié)閥，根據(jù)閥前閥后壓差來調節(jié)控制放空速度在安全流速之內。

（4）一般氫氣放空管末端應設置阻火器，放空管應引至室外，放空管管口應高出屋面3.5 m。

（5）氫氣管道材質、法蘭、墊片等的選擇，應符合《氫氣站設計規(guī)范》（GB 50177-2005）及其他規(guī)范、標準的要求。

（6）安全閥、爆破片的選型應根據(jù)物料性質、加氫釜的安全泄放量及最小泄放面積等數(shù)據(jù)來確定[3]。

3 自動控制系統(tǒng)設計要點

精細化工中催化加氫工藝一般屬于間歇加氫，對它的生產(chǎn)過程進行安全控制一直是行業(yè)內推行的難點。以下結合實際工程項目，對加氫工藝自動化安全控制設計要點做一概述。

（1）加氫工藝屬于強放熱的危險工藝，自動化設計過程中應同工藝、設備等專業(yè)對整個加氫反應過程進行HAZOP分析，詳細、客觀地分析加氫過程中存在的風險，并提出行之有效的安全措施來降低風險。

（2）根據(jù)國務院安委會辦公室發(fā)布了《關于進一步加強危險化學品安全生產(chǎn)工作的指導意見》（安委辦[2008]26號）和《關于公布首批重點監(jiān)管的危險化工工藝目錄的通知》（安監(jiān)總管三[2009]116號）的要求，加氫工藝屬于首批重點監(jiān)管的危險化工工藝，根據(jù)國家安監(jiān)總局要求，加氫反應必須采用自動化控制系統(tǒng)。本項目按116號文件要求設置重點工藝參數(shù)監(jiān)控和安全控制的基本要求，具體安全措施設計情況詳見表1。

（3）儀表、閥門的選型：電動儀表和報警器選型不低于防爆等級ExdⅡCT4。

（4）儀表防雷及接地應有可靠的接地措施[4]。

（5）原則上加氫工藝盡量采用全自動化，現(xiàn)場只設巡檢人員；但考慮到間歇反應的特點，需要現(xiàn)場人員進行投料操作，此時應控制車間操作人員數(shù)量，一般車間操作人員數(shù)量少于兩人。加氫車間不設控制室，只設機柜間，所有的信號數(shù)據(jù)由光纖傳至廠區(qū)總控制室實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制。

4 安全儀表系統(tǒng)

加氫工藝屬于首批重點監(jiān)管的危險化工工藝，根據(jù)《國家安全監(jiān)管總局關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號）規(guī)定：從2018年1月1日起，所有新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品儲存設施要設計符合要求的安全儀表系統(tǒng)。

安全儀表系統(tǒng)（SIS）是獨立于DCS集散控制系統(tǒng)，其安全級別高于DCS。在正常情況下，SIS系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預作為安全保護系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實時在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由SIS系統(tǒng)發(fā)出保護聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失?！秶野踩O(jiān)管總局關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號）的要求已將工藝安全控制提高到一個新的高度。

5 結束語

隨著安全儀表系統(tǒng)（SIS）近年來在精細化工行業(yè)中越來越受到重視，安全儀表系統(tǒng)（SIS）設計應采用保護層分析（LOPA）、風險矩陣等方法，并根據(jù)設計單位提供的邏輯控制方案、HAZOP分析報告、反應熱風險評估報告開展聯(lián)鎖保護回路的SIL定級分析，然后進行SIS/SIF設計選擇相應的功能儀表和系統(tǒng)，最后根據(jù)儀表、系統(tǒng)制造商提供的失效數(shù)據(jù)進行安全完整性等級（SIL）的確定、驗證計算[5-6]。

表1 加氫反應工藝設計措施和安監(jiān)總管三【2009】116號文的對比一覽表

同時隨著我國化工裝置、危險化學品儲存過程自動化水平逐步提高，安全儀表系統(tǒng)的推廣將會對精細化工安全控制起到至關重要的作用。

本文結合工作經(jīng)驗，對加氫反應的設計要點進行歸納總結，希望這些經(jīng)驗和看法，能對精細化工間歇加氫工藝的安全設計起到一些參考作用。

[1]GB 50177-2005，氫氣站設計規(guī)范[S].

[2] 宋元寧.加氫裝置中的主要危險性分析[J].中國鍋爐壓力容器安全，2004，20（5）：3-5.

[3] 顏福裕.加氫反應釜爆破片的選型[J].化學工程與裝備，2016，（7）：151-153.

[4] 趙永增.加氫工藝自動化改造方案[J].化工安全與環(huán)境，2013，16：11-13.

[5] 陳澤俊.安全完整性等級（SIL）驗證計算在石油化工裝置中的應用[J].化工工藝與工程，2015，36（4）：19-22.

[6] 張兆祥.安全完整性等級驗證計算在化工裝置中的應用研究[J].石油化工自動化，2016，52（5）：28-32.