加氢反应的化工安全设计探讨

蔡永富，李安帮

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012）

加氢反应是石油化工、精细化工和医药化工生产过程中常见的化学单元反应，它是指有机化合物在一定温度、压力和催化剂的作用下，与氢气的反应。工业上主要的加氢反应类型主要有：不饱和键加氢、氢解、含氧化合物加氢、含氮化合物加氢、芳环化合物加氢、油品加氢等。加氢反应为强烈的放热反应，大部分是在高温、高压条件下进行，具有反应温度高、压力大、放热量大、升温快等特点。

氢气是无色无味无毒气体，与空气混合可以形成爆炸性混合物，其爆炸极限为4.1%～74.1%，爆炸极限极宽，具有高燃爆危险特性。氢气比空气轻，在使用过程中漏气上升滞留屋顶不易排出，而引起爆炸。钢材在高温高压下与氢气接触，发生氢脆，容易导致反应釜泄漏，发生事故；此外，加氢反应的催化剂大部分为钯炭，其遇空气易燃，因此在催化剂再生、活化过程以及尾气放空过程易引起爆炸。

综上所述，加氢反应原料及生产过程中具有燃爆危险性。所以在加氢反应化工设计过程中必须采取有效安全控制措施。

1 加氢反应操作单元设置要求

氢气进料系统：应设置流量计、压力表、阻火器、开关阀、止回阀、氮气吹扫、安全阀以及泄放系统。

安全泄放系统：应设置紧急泄放阀、安全阀、爆破片以及事故应急接受槽。

仪表系统：应设置双套温度计和压力表，氢气进料应设置流量计。

冷却系统：加氢反应釜夹套或者内盘管应接入冷媒，冷媒管道上设置开关阀（或调节阀）。

其他系统：安全设施，包括安全阀、爆破片及紧急切断装置等。加氢反应釜应接入氮气管道并接放空管道。

2 加氢反应装置控制要求

加氢反应重点监控工艺参数包括反应釜内温度、压力；反应釜内氧含量；氢气进料流量；反应釜搅拌速率；反应尾气组成等。

加氢反应安全控制的基本要求包括反应釜内温度和压力的报警和联锁；氢气进料流速控制和联锁系统；紧急放空、安全阀、爆破片等安全设施；紧急冷却系统；搅拌的稳定控制系统；氢气检测报警装置等。

加氢反应工艺应采用的控制方法如下：将反应釜内温度、压力、搅拌电流与氢气进料流量、反应釜夹套和内盘管冷媒进口阀、反应釜夹套和内盘管热媒进口阀形成联锁关系，设立紧急停车系统。加入急冷氮气或氢气的系统。当加氢反应釜内温度或压力超标或搅拌系统发生故障时自动停止加氢，泄压，并进入紧急状态[1]。加氢反应釜具体自控方式：加氢反应釜超温或超压报警，关闭氢气进料开关阀，关闭反应釜夹套和内盘管热媒进出口管道开关阀，打开反应釜夹套和内盘管冷媒进出口管道开关阀，开安全泄放阀。加氢反应釜搅拌电机电流发生异常，关闭氢气进料开关阀，如必要则开紧急泄放阀，关闭反应釜夹套和内盘管热媒进出口管道开关阀，打开反应釜夹套和内盘管冷媒进出口管道开关阀。

3 加氢反应装置设备材质的选择

根据加氢反应物料特性、使用条件和寿命的要求，从设备工作条件下材料的物理性能、力学性能和耐腐蚀性能等方面考虑选用安全可靠的设备材质，同时兼顾材料价格、来源及供应等情况。设备材质可选用高Cr钢和Cr-Ni不锈钢，严禁使用黄铜材料。

4 加氢反应工艺设计中应注意的其他问题

（1）加氢反应的厂房应按照甲类建筑物要求设计，控制室、机柜间、变配电所、化验室、办公室等人员密集区不得与加氢反应布置在同一建筑物内[2]。加氢反应有爆炸危险的房间或者部位应设置泄压设施；泄压设施宜采用非燃烧体轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等[3]。泄压面积应符合国家标准《建筑设计防火规范》。泄压设施的设置宜靠近有爆炸危险的部位，并应避开人员密集场所和主要交通道路。地面采用不发火花材料，防止铁器掉落地面时产生火花而引起事故。

因为氢气比空气轻，所以加氢反应的房间的上部空间，应通风良好；顶棚内表面应平整，避免死角，防止氢气积聚。可采用顶梁上翻的结构形式。加氢反应釜的上方应设置可燃气体检测、报警装置。当发生氢气大量泄漏或积聚时，应立即切断气源，进行通风，不得进行可能发生火花的一切操作。

（2）因为加氢反应大部分采用钯炭类固体催化剂，在生产过程中会产生液泛，催化剂堵塞安全阀孔喉，导致安全阀失效或者起跳后无法完好回座，所以加氢反应釜安全阀前建议串联爆破片。泄放管道应接至事故应急接受槽，避免出现二次爆炸或污染；事故应急接受槽的容积不小于加氢反应釜的容积。含氢尾气的放空管，在管口处应设阻火器，防止回火，并引至室外，管口应高出屋脊2 m[4]。

因为氢气的燃爆性和催化剂的自燃性，加氢反应系统使用前应进行吹扫置换，可采用氮气转换法，并应在加氢反应釜上安装氧含量分析仪；其放空系统和催化剂活化、再生系统均应设氮封保护，避免与空气接触。

（3）氢气管道的管材应采用无缝钢管，禁止采用铸铁管道，管道的连接除与设备、法兰的连接可采用法兰连接外，均应采用焊接[5]。氢气管道、阀门、联接件等不应选用与介质发生化学反应的黄铜材料。要加强对设备的检查，定期更换管道、设备，防止氢脆造成事故。管道法兰、阀门等连接处，应采用金属线跨界，防止静电积聚。氢气管道不得穿过与其无关的建筑物。加氢反应相关电气设备防爆等级应满足《爆炸危险环境电力装置设计规范》的要求[6]，其防爆等级应为CT4。

5 结语

加氢反应属于国家安全监督总局重点监管的危险化工工艺，其反应过程具有较大危险性。应从加氢反应操作单元设置要求，加氢反应装置控制要求，加氢反应装置设备材质的选择等方面入手，根据加氢反应特殊性采取具有针对性的安全控制措施，将加氢反应生产过程的危险程度降至最低。

[1] 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.

[2]GB 50016-2014，建筑设计防火规范[S].

[3]GB 50160-2008，石油化工企业设计防火规范[S].

[4]GB 4962-2008，氢气安全使用技术规程[S].

[5]GB 50177-2013，氢气站设计规范[S].

[6]GB 50058-2014，爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

Abstract： According to the requirements of the operating unit of the hydrogenation reaction， the control requirements of the hydrogenation reaction device， the selection of the material of the equipment and so on，the problems needing attention in the design of chemical engineering were summarized.

Keywords： hydrogenation reaction；safety design；control