惰性化操作及其在間歇加氫工藝中的應用

梁明杰，張 峰

(青島科技大學，山東 青島 266042)

惰性化操作及其在間歇加氫工藝中的應用

梁明杰，張 峰

(青島科技大學，山東 青島 266042)

本文通過介紹某企業(yè)間歇加氫工藝不同的氮氣惰化方式，以惰化原理、方式及相關計算為出發(fā)點，確定了加氫工藝壓力惰化的有效操作方法，并在企業(yè)中應用。

加氫反應；惰性化；最低需氧濃度

在精細化工生產(chǎn)中，有相當多的原料、半成品或成品具有易燃易爆性[1],加氫工藝是精細化工生產(chǎn)中常見的工藝，并多為間歇反應，也是首批重點監(jiān)管的危險化工工藝之一，因氫氣具有高燃爆危險特性(爆炸極限為4%～74.1%)，多為強烈的放熱反應，一旦控制失效，可能造成災難性的工藝安全事故。因此, 在工程設計中必須采取有效的措施, 防止火災和爆炸事故的發(fā)生。

1 惰性化的概念及原理

我們知道，著火需要3個基本要素，即可燃物、氧氣(空氣或其它氧化劑)和引火源[2]，見圖1。只要消除其中任何一個要素就可以避免著火。對于加氫工藝而言，氫氣是固有存在的，難以消除；能夠消除的是氧氣和引火源。

圖1 火災三要素

引火源種類很多，控制的方法也不相同，例如我們采用動火作業(yè)許可證制度控制明火，依靠良好的靜電接地和跨接消除靜電。但是對于氫氣而言，因為其特殊性，最小點火能(MIE)為0.02 mJ，靜電接地(跨接)消除引火源的做法在很多時候并不奏效。

每種易燃氣體或液體的蒸氣只有在與足夠的氧氣混合后才能發(fā)生燃燒(爆炸是一種特殊的燃燒形式)，也就是說氧氣濃度需要到達或超過該物質(zhì)的最低需氧濃度(LOC)才能維持持續(xù)的燃燒。每種物質(zhì)的最低需氧濃度各不相同，對于大部分的易燃氣體和易燃蒸氣，LOC約為9%～12%(體積百分數(shù)，下同)，見表1。易燃液體在其爆炸上限以上范圍不能持續(xù)燃燒，就是因為氧氣的濃度過低的緣故。

表1 常見物質(zhì)的最低需氧濃度(LOC)及合格標準

操作、處理或儲存可燃氣體或可燃液體的設備，再投入易燃物料之前，需要將設備內(nèi)的氧氣用惰性氣體置換出來，使氧氣濃度降低到預定的安全限值(最低需氧濃度，LOC)以下，避免投料后其與可燃氣體或蒸汽混合形成爆炸性氣體，實現(xiàn)此目的的處理過程稱為惰化。

某企業(yè)現(xiàn)有加氫工藝四個，其現(xiàn)行版本標準操作規(guī)程具體惰化操作詳見表2，我們通過對以上四個加氫工藝的惰化操作對比發(fā)現(xiàn)，其操作各不相同，從技術發(fā)展的角度講，需要探索一種更為簡捷、規(guī)范且可靠的操作方法。規(guī)范我們的惰化操作，即達到安全生產(chǎn)要求，又能節(jié)約資源。

表2 某企業(yè)加氫工藝惰化操作情況

2 惰性化操作方式

簡單的說，惰性化的方式有五種：

(1)真空惰化：容器抽真空后充入惰性氣體，并如此循環(huán)。

(2)壓力惰化：容器使用惰性氣體加壓，然后釋放排空，并如此循環(huán)。

(3)吹掃惰化：容器一端吹掃惰性氣體，一端釋放，并吹掃一定時間。

(4)虹吸惰化：即容器內(nèi)充入合適的不燃流體或填充物，然后移除同時引入惰性氣體。

(5)組合惰化：以上方式兩種或多種組合。

3 確認氧氣目標濃度

氧氣目標濃度是指惰化操作結(jié)束時，反應釜內(nèi)控制的氧氣濃度。毫無疑問，氧氣目標濃度是最重要的技術參數(shù)，目標濃度定的高，則有可能在投入易燃性物料時，仍然會形成爆炸性混合氣體，不能完全實現(xiàn)惰化操作的目的；而目標濃度定的太低，則惰化操作費時且造成惰性氣體不必要的浪費，提高成本，所以要合理確定目標濃度。

實際工作中，我們根據(jù)NFPA69-2008附錄中給出的最低需氧濃度作為參考值，按照其要求，如果工藝系統(tǒng)沒有連續(xù)的氧氣濃度監(jiān)控，實際操作時的氧氣濃度不應該超過LOC的60%；當LOC小于5%時，則取不超過LOC的40%；并且需要定期檢查氧氣的濃度。因此，氫氣環(huán)境下氧氣目標濃度在2%以下即可[3]。

4 確定壓力惰化循環(huán)次數(shù)

我們以某加氫反應釜為例，探討氮氣壓力惰化的估算。當向加氫反應釜內(nèi)壓縮充入惰性氣體至一定壓力后，釜內(nèi)的惰性

氣體與空氣經(jīng)擴散混勻后，泄放氣體至大氣壓力，部分氧氣被一同泄放出來，結(jié)果是罐內(nèi)氧氣總量減少，惰性氣體濃度增加，相當于部分氧氣被惰性氣體所置換，在經(jīng)過若干次的充壓、泄放循環(huán)，罐內(nèi)氧氣濃度逐漸降低到安全目標值。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律[4]，壓力惰化的過程，詳見圖2，第n次惰化后，反應釜內(nèi)氧氣yn為：

式中：y0為空氣中氧氣的摩爾分數(shù)21%；

yn為我們的目標氧氣濃度(LOC)；

常壓壓力PL為大氣壓力(近似100kPa，絕對壓力)；

pH為充壓壓力。

圖2 壓力惰化過程

通過計算，循環(huán)次數(shù)與氧氣的控制目標濃度和充氣壓力有關，具體數(shù)據(jù)詳見表3。氧氣目標濃度越低、充氣壓力越低，則循環(huán)次數(shù)越多；以氫氣而言，不管充壓到400、500、600kPa均需要至少循環(huán)2次；而充壓到300kPa時需要循環(huán)3次，當沖壓到200時需要循環(huán)4次。

表3 氧氣目標濃度、充氣壓力與循環(huán)次數(shù)的關系

5 結(jié)論

惰性化是本質(zhì)安全措施，對于間歇加氫反應，其壓力惰化操作為：若目標氧含量濃度(最低需氧濃度，LOC)為2%，采用壓力惰化方法，則充壓至200kPa，循環(huán)四次或者充氣壓力至300kPa，循環(huán)三次，而實際操作充氣壓力，我們應根據(jù)該反應釜的設計壓力決定。

[1] 鄭素君.采用惰性氣體對容器、管道置換的三種方法[J].深冷技術，2011(5):22-24.

圖4 不同引發(fā)劑用量下單體轉(zhuǎn)化率與時間關系圖Fig.4 The relationship between monomer conversion and time under different initiator dosage

3 小結(jié)

(1)通過對比石油醚、異丙醇、環(huán)己烷、甲苯四種有機溶劑對聚合過程中溫度、表觀粘度和產(chǎn)物助濾效果的對比，結(jié)果表明四種溶劑中甲苯為最適宜的選擇，此時，添加4wt%的甲苯，反應液最高溫度為63.5℃，產(chǎn)物表觀粘度為14.0 Pa·s。

(2)考察了不同添加量的甲苯對聚合過程中的體系表觀黏度、溫度和單體轉(zhuǎn)化率的影響，確定了甲苯質(zhì)量分數(shù)的適宜范圍為2%～4%，在此條件下，反應體系的最高溫度在63.5℃～66.5℃，單體轉(zhuǎn)化率在80%～91%之間。

(3)研究了引發(fā)劑添加量對反應單體轉(zhuǎn)化率的影響，發(fā)現(xiàn)引發(fā)劑用量在0.2%以上時，聚合反應在60min時即可達到80%以上的轉(zhuǎn)化率。確定了引發(fā)劑適宜添加量為單體總質(zhì)量的0.2%左右。

參考文獻

[1] 徐 杰,費德君,武建勛,等.非離子型助濾劑的合成及在濕法磷酸生產(chǎn)中的應用[J].精細與專用化學品,2013(1):23-27.

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[3] 高 波.引發(fā)劑對丙烯酸類乳液聚合反應的影響[J].江蘇化工,1989(2):17-18.

[4] 王冬梅,張彥昌,李天仚,等.低分子量聚丙烯酰胺的水溶液聚合[J].河南科學,2013(10):1604-1606.

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[7] 曾玉彬,傅紹斌,吳仲巋.新型有機復合弱陰離子絮凝劑的研究與應用[J].大連鐵道學院學報,1998(2):35-37.

(本文文獻格式：王 龍 ,費德君,黨亞固，等.兩步法合成非離子助劑PAMA的工藝優(yōu)化[J].山東化工,2017,46(13):36-39,41.)

Inert Operation and Its Application in Batch Hydrogenation Process

LiangMingjie,ZhangFeng

(Qingdao University of Science & Technology，Shandong Qingdao 266042)

This paper introduces an enterprise different nitrogen inerting batch hydrogenation process, with inert principle, methods and relevant calculation as the starting point, determine the effective operation method of hydrogenation process pressure inert, and application in enterprises.

hydrogenation reaction;inert;minimum oxygen concentration

2017-05-04

梁明杰(1987—)，男，山東淄博人，大學本科，工程師，現(xiàn)從事化學原料藥的生產(chǎn)和安全管理方面的工作。

TQ031.2

B

1008-021X(2017)13-0088-02