周世海，李愿，丁應(yīng)新，姚 文

（1.浙江天成工程設(shè)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(shù)在在精細(xì)化工生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。加氫，一般指的是有機(jī)化合物與氫氣分子的反應(yīng)過程，通常在催化劑作用下進(jìn)行；此類反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)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(diǎn)監(jiān)管的危險化工工藝。安全生產(chǎn)及高產(chǎn)品質(zhì)量是加氫反應(yīng)中極為重要的，本文結(jié)合實際安全改造實施的經(jīng)驗與看法，就加氫反應(yīng)的設(shè)計要點(diǎn)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?xì)怏w，故加氫車間應(yīng)按甲類建筑來設(shè)計。加氫車間總體應(yīng)滿足以下要求：

（1）加氫區(qū)域應(yīng)布置于車間外側(cè)的單獨(dú)房間內(nèi)，若多層車間，且應(yīng)靠車間的頂部；加氫區(qū)域應(yīng)用防爆墻與車間其他反應(yīng)區(qū)隔開，加氫區(qū)域與其他反應(yīng)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(dāng)廠區(qū)不具備單獨(dú)設(shè)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(yīng)為無門、無窗、洞的防爆防護(hù)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(yīng)低于二級，且應(yīng)滿足泄壓要求。根據(jù)《建筑設(shè)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(xì)化工加氫車間或區(qū)域的屋面一般采用輕質(zhì)屋面板（如輕鋼屋面等）和輕質(zhì)泄壓墻體相結(jié)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?jǐn)?shù)：4%～75%），且其密度小、擴(kuò)散性強(qiáng)，故加氫區(qū)域屋面應(yīng)盡量做成平面結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)積聚氫氣的死角；屋頂墻體之間應(yīng)留有足夠的空隙，以保持良好的通風(fēng)，自然通風(fēng)換氣次數(shù)，每小時不得少于3次；加氫區(qū)域應(yīng)設(shè)置事故通風(fēng)，事故通風(fēng)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(yīng)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(shè)計要點(diǎn)

2.1 設(shè)備選型

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

（2）加氫反應(yīng)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(xì)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(yīng)體系為氣固液三相反應(yīng)，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(yīng)充分、穩(wěn)定、高效。

2.2 生產(chǎn)工藝流程設(shè)計要點(diǎn)

本文以實際項目中的加氫工藝為例講述其設(shè)計要點(diǎn)，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(jìn)行加氫反應(yīng)，反應(yīng)壓力為5 MPa，反應(yīng)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?dú)庵脫Q釜內(nèi)氧氣。氮?dú)庵脫Q數(shù)次，當(dāng)釜內(nèi)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(nèi)壓力維持在5 MPa左右，攪拌反應(yīng)約12 h，反應(yīng)過程中釜內(nèi)壓力會下降，期間必須間歇補(bǔ)氫數(shù)次，最終當(dāng)氫氣壓力不再下降為止，視為反應(yīng)結(jié)束。

（3）泄壓并降溫至常溫，氮?dú)庵脫Q數(shù)次，放料。

（4）進(jìn)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(shè)計時需注意以下幾點(diǎn)。

（1）加氫工藝的加熱、冷卻一般通過夾套和釜內(nèi)盤管來實現(xiàn)，加熱介質(zhì)通常有蒸汽或?qū)嵊图訜幔ㄓ行└邷鼗蚣伤磻?yīng)時會采用導(dǎo)熱油作為加熱、冷卻介質(zhì)）；冷卻介質(zhì)為循環(huán)水或冷油。

（2）通常加氫反應(yīng)的催化劑為雷尼鎳、鈀碳、釕碳催化劑等，根據(jù) 《建筑設(shè)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(yīng)、放熱，因此，加氫催化劑應(yīng)儲存于專用的甲類倉庫中，投料及活化過程中應(yīng)在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行處理。

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

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

（5）氫氣管道材質(zhì)、法蘭、墊片等的選擇，應(yīng)符合《氫氣站設(shè)計規(guī)范》（GB 50177-2005）及其他規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（6）安全閥、爆破片的選型應(yīng)根據(jù)物料性質(zhì)、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(shè)計要點(diǎn)

精細(xì)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(jìn)行安全控制一直是行業(yè)內(nèi)推行的難點(diǎn)。以下結(jié)合實際工程項目，對加氫工藝自動化安全控制設(shè)計要點(diǎn)做一概述。

（1）加氫工藝屬于強(qiáng)放熱的危險工藝，自動化設(shè)計過程中應(yīng)同工藝、設(shè)備等專業(yè)對整個加氫反應(yīng)過程進(jìn)行HAZOP分析，詳細(xì)、客觀地分析加氫過程中存在的風(fēng)險，并提出行之有效的安全措施來降低風(fēng)險。

（2）根據(jù)國務(wù)院安委會辦公室發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的指導(dǎo)意見》（安委辦[2008]26號）和《關(guān)于公布首批重點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)必須采用自動化控制系統(tǒng)。本項目按116號文件要求設(shè)置重點(diǎn)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(shè)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(yīng)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(shè)巡檢人員；但考慮到間歇反應(yīng)的特點(diǎn)，需要現(xiàn)場人員進(jìn)行投料操作，此時應(yīng)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(shè)控制室，只設(shè)機(jī)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(diǎn)監(jiān)管的危險化工工藝，根據(jù)《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)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(diǎn)一重大”的化工裝置和危險化學(xué)品儲存設(shè)施要設(shè)計符合要求的安全儀表系統(tǒng)。

安全儀表系統(tǒng)（SIS）是獨(dú)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(yù)作為安全保護(hù)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(dāng)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(hù)聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險擴(kuò)散造成巨大損失?！秶野踩O(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)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(jié)束語

隨著安全儀表系統(tǒng)（SIS）近年來在精細(xì)化工行業(yè)中越來越受到重視，安全儀表系統(tǒng)（SIS）設(shè)計應(yīng)采用保護(hù)層分析（LOPA）、風(fēng)險矩陣等方法，并根據(jù)設(shè)計單位提供的邏輯控制方案、HAZOP分析報告、反應(yīng)熱風(fēng)險評估報告開展聯(lián)鎖保護(hù)回路的SIL定級分析，然后進(jìn)行SIS/SIF設(shè)計選擇相應(yīng)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(jìn)行安全完整性等級（SIL）的確定、驗證計算[5-6]。

表1 加氫反應(yīng)工藝設(shè)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(xué)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(xì)化工安全控制起到至關(guān)重要的作用。

本文結(jié)合工作經(jīng)驗，對加氫反應(yīng)的設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，希望這些經(jīng)驗和看法，能對精細(xì)化工間歇加氫工藝的安全設(shè)計起到一些參考作用。

[1]GB 50177-2005，氫氣站設(shè)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(yīng)釜爆破片的選型[J].化學(xué)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(yīng)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(yīng)用研究[J].石油化工自動化，2016，52（5）：28-32.