氢化反应装置的工艺安全设计

氢化反应装置的工艺安全设计

胡福恒

中核第四研究设计工程有限公司

摘要：氢化反应具有高温高压、易燃易爆的特点，是化工及医药领域常见的还原反应，应用非常广泛，属于国家安全监管总局首批重点监管的危险化工工艺。本论文从工程设计的角度对氢气的危险特性、危险类别、氢化反应危险特点等方面进行分析，阐述了氢化工艺装置管道基本构成和重点监控的工艺参数及安全控制基本要求，并进一步论述了工艺设备布置及管道布置方法。本文的核心理念在于保证该类工程设计的安全性和经济性。

关键词：氢化反应；重点监管；危险化工工艺；安全设计

近年来化工及医药工业上高压反应引发的事故频发，造成人员伤亡的事故屡见不鲜，国家及地方相关部门及企业对该类反应的安全性越来越重视。氢化反应是化工及医药领域常见的还原反应，应用非常广泛，属于国家安全监管总局首批重点监管的危险化工工艺。

1 氢化工艺基本介绍

1.1 氢化反应介绍

氢化反应又叫加氢反应，是在有机化合物分子中加入氢原子的反应，涉及加氢反应的工艺过程为加氢工艺，主要包括不饱和键加氢、芳环化合物加氢、含氮化合物加氢、含氧化合物加氢等。

1.2 氢气的危险特性和危险类别

氢气无色、无味，相对密度0.07，氢气泄漏后会迅速向高处扩散。氢气极易燃烧，属1类易燃气体，氢气的火灾危险性为甲类，属于首批重点监管的危险化学品。

1.3 氢化工艺危险特点

氢化工艺的危险特点主要体现在以下四个方面：

（1）反应物料具有易燃易爆的特性，氢气在空气中的爆炸极限为4.1％—74.2％；

（2）设备及管道材料易产生氢脆和氢腐蚀，易导致危险发生；

（3）催化剂活性较高，在使用、再生过程中易引发爆炸；

（4）氢化反应的尾气中含有未完全反应的氢气和其他杂质，在排放时易引发着火或爆炸。

2 氢化工艺装置管道基本构成

与氢化釜直接相连的管道大致可分为三类：

（1）物料管道，其中包括进料管道、进催化剂管道、出料管道；

（2）气相管道，其中包括氢气进气管道、压缩氮气进气管道、真空管道；

（3）安全保护管道，包括自动排气管道、安全阀排气管道、爆破片排气管道。该三类管道为直连管道，其余的循环水、制冷水、蒸汽管道等不属于直连管道，因为这些管道不是与氢化釜的封头或筒体相连，而是与夹套相连，与氢化釜内部未构成一个压力系统。

3 重点监控的工艺参数和安全控制基本要求

根据国家安全监管总局关于公布《首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》（安监总管三〔2009〕116号）中内容，加氢反应重点监控的工艺参数如下：加氢反应釜或催化剂床层温度、压力；加氢反应釜内搅拌速率；氢气流量；反应物质的配料比；系统氧含量；冷却水流量；加氢反应尾气组成等。安全控制的基本要求如下：温度和压力的报警和联锁；反应物料的比例控制和联锁系统；紧急冷却系统；搅拌的稳定控制系统；氢气紧急切断系统；加装安全阀、爆破片等安全设施；氢气检测报警装置等。

针对以上要求，笔者在设计时的做法如下：

（1）温度和压力的报警和联锁：当温度或压力过高时，切断氢气进气阀，自动开启排气阀，关闭蒸汽开关阀，全开冷水供水自动调节阀，同时将搅拌转速开至最大；

（2）反应物料的比例控制和联锁系统：当物料大于一种时，需要在每股物料的管线上加上流量计用以控制物料的比例，同时流量计与进料阀联锁，当达到规定的物料量时自动切断进料阀；

（3）紧急停车系统：切断氢气进气阀门；自动开启泄压阀；关闭蒸汽开关阀；全开冷水阀；将搅拌转速开至最大；

（4）搅拌的稳定控制系统：当转速不稳定或故障时，切断氢气进气阀门,自动开启排气阀,关闭蒸汽开关阀,全开冷水供水调节阀；

（5）氢气紧急切断系统：氢气管道上安装流量计与自动切断阀，控制氢气的流速不超过8m/s，当达到规定的加入量时切断氢气阀；

（5）加装安全阀、爆破片等安全设施：安全阀与爆破片是氢化装置安全泄放的最后一道措施，氢化釜上需要安装这两个泄放装置，其设置方法详见第4节；

（6）氢气检测报警装置：氢化反应间内需要安装可燃气体报警装置，由于氢气的密度比空气轻，而反应用有机溶媒的密度往往比空气重，因此在氢化反应间的吊顶下方及贴近地面处均需要设置可燃气体报警装置。可燃气体报警装置与暖通事故风机联锁。氢化釜内装有氧浓度分析仪，氧的体积分数小于或等于0.5%时方可进行反应。

4 工艺设备布置及管道布置

4.1 工艺设备布置

当氢化装置与其它不使用氢气的装置布置在同一建筑物内时，其间应采用抗爆墙将其隔开，以防止氢气泄漏到与氢化装置无关的区域。催化剂的配置与过滤间尽可能与氢化间分开，因氢化反应中使用的催化剂大多容易在空气中长期暴露后自燃，这样做可以最大限度地将明火与氢气隔开。

氢化装置内多使用氢气瓶，一般宜布置在顶层外墙处，因生产需要在现场使用氢气瓶时，其数量不得超过5瓶。氢气瓶与明火或普通电气设备的间距不应小于10m；与空调装置、空气压缩机和通风设备（非防爆）等吸风口的间距不应小于20m；与盛有易燃易爆、可燃物质及氧化性气体的容器和气瓶间距不应小于8m；与其他可燃性气体储存地点的间距不应小于20m。

氢气密度轻于空气，氢化装置通风良好且为第二级释放源，当释放源距地坪的高度不超过4.5m时，以释放源为中心，半径4.5m，顶部与释放源的距离为7.5m，及释放源至地坪以上的范围可划为2区，2区范围内的设备需考虑防爆。

4.2 工艺管道布置

氢气管道宜采用架空敷设。架空管道不应与电缆、导电线路、高温线路共架。氢气管道与氧气管道、其他可燃气体、可燃液体的管道共架敷设时，氢气管道与上述管道之间应用其它公用工程管道隔开，或保持不小于250mm的净距。分层敷设时，氢气管道应位于上方，以防止其它管道检修时火花落在氢气管道上。氢气管道上应设置分析取样口、吹扫口，其位置应能满足氢气管道内气体取样、吹扫、置换要求，最高点应设置排放管，并在管口处设置阻火器，湿氢气管道上最低点应设排水装置。

氢气管道应避免穿过地沟、下水道及铁路汽车道路等，应穿过时应设套管。氢气管道不得穿过不使用氢气的房间，不宜穿过吊顶、技术（夹）层，若非要穿过吊顶、技术（夹）层时应采取安全措施。氢气管道穿过墙壁或楼板时应敷设在套管内，套管内的管段不应有焊缝，氢气管道穿越处孔洞应用阻燃材料封堵。

氢气排放管道多属于间歇排放，根据参考文献[2]的要求，间歇排放的排气筒顶或放空管口应高出10m范围内的平台或建筑物3.5m以上，位于排放口水平10m以外斜向上45°的范围内不宜布置平台或建筑物。

5 结论

本文根据氢化反应高温高压、易燃易爆的特点，对氢气危险特性、氢气的危险类别、工艺危险特点进行了分析，从工程设计的角度详细论述了氢化工艺装置管道基本构成、重点监控的工艺参数和安全控制基本要求、工艺设备布置及管道布置等的设计方法，尽可能做到既安全又经济。

参考文献：

[1] GB50016-2014（2018年版），建筑设计防火规范[S]．

[2] GB50160-2008（2018年版），石油化工企业设计防火标准[S]．

[3] GB4962-2008，氢气使用安全技术规程[S]．

[4] GB18218-2018，危险化学品重大危险源辨识[S]．

[5] GB50177-2005，氢气站设计规范[S]．

1