間歇加氫反應的安全設計研究

楊裕棟 李 兵 洪彩華

（中國醫藥集團聯合工程有限公司，湖北武漢430000）

0 引言

間歇加氫反應在醫藥化工行業中是一種常見的工藝過程，由于其存在較大的火災、爆炸、毒害等隱患，引發過很多重大的安全事故。近年來國家及地方政府陸續出臺了多項相關法律法規，對加氫工藝裝置的設計和安全生產進行了約束。鑒于此，本文希望通過對間歇加氫反應的安全設計進行研究，以此指導加氫工藝裝置的安全生產。

1 HAZOP（危險與可操作性分析）和安全風險評估的意義

根據《關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》和《國家安全監管總局關于加強精細化工反應安全風險評估工作的指導意見》等的要求：凡涉及“兩重點一重大”和首次工業化設計的建設項目，必須在初步（基礎工程）設計階段開展HAZOP（危險與可操作性分析）；凡涉及重點監管危險化工工藝和金屬有機物合成反應（包括格式反應）的間歇和半間歇反應，達到有關條件時要開展反應安全風險評估。

對工藝參數可能發生的各種偏差進行危險與可操作性分析，找出偏差發生的原因及可能導致的后果，提出相應的控制措施；通過反應安全風險評估，研究具體反應和原輔料在工藝過程中的風險，結合LOPA（保護層分析法）確定安全儀表系統的完整安全性等級（SIL）；根據各項建議措施和分析結果設計間歇加氫反應，對提高加氫工藝裝置的安全可靠性，預防和減少事故的發生具有重要作用。

2 間歇加氫工藝的操作步驟

間歇加氫工藝流程如圖1所示。

（1）停止攪拌，打開氫化釜真空閥，真空度達到0.06～0.08 MPa時抽氣5 min，關閉真空閥門，打開氮氣閥通氮氣，當壓力恢復到0 MPa時，關閉氮氣閥門，再抽真空、通氮氣，重復操作3次；

（2）將計量好的乙醇放入氫化釜中，加入活性鎳，攪拌加入分裝好的原料，加熱至（65±5）℃，使其溶解，然后冷卻至（55±3）℃；

（3）攪拌，通氫氣，排空氮氣，再通入氫氣，排空氮氣，重復操作3次，控制溫度在（55±3）℃，壓力為0.05～0.08 MPa，反應7 h；

圖1 間歇加氫工藝流程簡圖

（4）停止通氫氣，停止攪拌，排空氫氣，通氮氣，置換氫氣3次；

（5）溫度控制在（55±3）℃，靜置30 min，在氮氣保護下，用氮氣將氫化釜中的氫化液壓出；立即用乙醇沖洗氫化釜，將生產下批用的乙醇放入氫化釜內，停止生產，并將投料口關閉。

3 間歇加氫工藝的過程危害性分析

加氫反應是在有機化合物分子中加入氫原子的反應，涉及加氫反應的工藝過程為加氫工藝，主要包括不飽和鍵加氫、芳環化合物加氫、含氮化合物加氫、含氧化合物加氫、氫解等。

氫氣是國家安監總局公布的首批重點監管的危險化學品，加氫工藝屬于《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝》之一。由于加氫反應涉及的物料具有易燃、易爆、毒害等危害性，氫氣的爆炸極限為4%～75%（體積分數），具有高燃爆危險特性；加氫反應一般為放熱反應，氫氣在高溫高壓下與鋼材接觸，鋼材內的碳分子易與氫氣發生反應生成碳氫化合物，使鋼制設備強度降低，發生氫脆現象；催化劑在再生與活化過程中易引發爆炸；一般在間歇加氫反應投入催化劑（一般為鈀碳、雷尼鎳等）的過程中，若操作不當，催化劑暴露于空氣中，可能發生著火事故；如果通氫過快，或者冷卻失效，可能導致升溫過快，發生沖料現象；加氫反應在正壓下進行，如果反應開始時反應系統空氣置換不徹底，混入的空氣與氫氣混合，可能產生爆炸；加氫反應的尾氣中有未完全反應的氫氣和其他雜質在排放時易引發著火或爆炸事故。因此，在加氫工藝過程中潛藏著很多安全風險，一旦工藝參數發生偏差，將會導致重大安全事故。

4 國家安全監管總局對加氫工藝的要求

根據《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》規定，重點監管危險化工工藝的重點監控工藝參數、安全控制的基本要求如表1所示。

5 間歇加氫工藝的HAZOP（危險與可操作性分析）

5.1 HAZOP（危險與可操作性分析）

傳統的HAZOP內容包括：偏差、原因、后果、保護措施、建議措施。與傳統的HAZOP相比，HAZOP風險矩陣法在傳統分析的基礎上，利用事故的后果嚴重程度等級和事故發生頻率等級，在5×5風險矩陣中計算事故的風險等級，使傳統的HAZOP方法從純定性分析改進為半定量分析，提高了HAZOP方法識別危險的分辨率和對安全措施實際效能的判斷能力。HAZOP分為節點劃分、確定節點偏差、對偏差進行分析、確定事故后果等級[確定事故頻率等級、確定保護措施的事故頻率（Fu）、考慮保護措施的事故頻率（Fm）、事故頻率等級分類]、確定事故風險等級等過程。

表1 重點監控工藝參數、安全控制的基本要求

5.2 分析節點的選擇及HAZOP研究結果

為保證間歇加氫工藝的安全穩定性，我們選擇其危險性較大的單元進行HAZOP研究。根據間歇加氫工藝流程可知，加氫反應釜物料進口、排氣和放料管道、夾套加熱和冷卻水進出管道之間的管線對工藝過程的安全性起重要作用，故選擇該段設備及管線作為分析節點，對工藝參數可能發生的各種偏差進行HAZOP，其分析結果如表2所示。

5.3 HAZOP建議項落實前后的風險分布情況

5.3.1 沒有建議項前的風險分布情況

沒有建議項前的風險分布情況如表3所示。

5.3.2 落實建議項后的風險分布情況

落實建議項后的風險分布情況如表4所示。

5.4 HAZOP結果實施情況

HAZOP結果實施情況如表5所示。

6 間歇加氫工藝的反應安全風險評估研究

間歇加氫工藝較為復雜，盡管對其進行了半定量性質的HAZOP研究，但對其安全風險形成機理和核心安全參數研究不系統、不透徹，極易造成配套的安全技術和工程措施缺乏針對性和有效性，并由此引發災難性的生產安全事故。因此，應針對間歇加氫工藝過程中涉及的原料、中間體物料、產品等化學品進行熱穩定測試，對化學反應過程開展熱力學和動力學分析。根據反應熱、絕熱溫升等參數評估反應的危險等級，根據最大反應速率到達時間等參數評估反應失控的可能性，結合相關反應溫度參數進行多因素危險度評估，確定反應工藝危險度等級。根據反應工藝危險度等級，明確安全操作條件，從工藝設計、儀表控制、報警與緊急干預（安全儀表系統）、物料釋放后的收集與保護、廠區和周邊區域的應急響應等方面，提出有關安全風險的防控建議。

表2 HAZOP分析結果

續表

續表

續表

續表

表3 沒有建議項前的風險分布情況

表4 落實建議項后的風險分布情況

表5 HAZOP結果實施情況

反應工藝危險度評估是精細化工反應安全風險評估的重要評估內容。反應工藝危險度指的是工藝反應本身的危險程度，危險度越大的反應，反應失控后造成事故的嚴重程度就越高。

將溫度作為評價基準是工藝危險度評估的重要原則。一般考慮4個重要的溫度參數，分別是工藝操作溫度Tp、技術最高溫度MTT、失控體系最大反應速率到達時間為24 h對應的溫度TD24以及失控體系可能達到的最高溫度MTSR，評估準則如表6所示。

實驗測試獲取包括目標工藝溫度、失控后體系能夠達到的最高溫度、失控體系最大反應速率到達時間為24 h對應的溫度、技術最高溫度等數據。在反應冷卻失效后，4個溫度參數值大小排序不同，根據分級原則，對失控反應進行反應工藝危險度評估，形成不同的危險度等級；根據危險度等級，有針對性地采取控制措施。應急冷卻、減壓等安全措施均可以作為系統安全的有效保護措施。對于反應工藝危險度較高的反應，需要對工藝進行優化或者采取有效的控制措施，降低危險度等級。常規控制措施不能奏效時，需要重新進行工藝研究或工藝優化，改變工藝路線或優化反應條件，減少反應失控后物料的累積程度，保障工藝過程安全。

本案例的危險工藝反應安全風險分析和落實情況如表7所示。

根據分析結果表明，采取常規的自動控制系統，對主要的反應參數進行集中監控及自動調節（DCS或PLC），即可滿足該加氫工藝的安全儀表系統要求。

參照國際電工組織IEC 61508/61511標準及相關規范規定，依照安全有效性/目標風險降低因數來劃分安全完整性等級（SIL）。各安全完整性等級（SIL）定義如表8所示。

常規的DCS或PLC控制系統，其目的是為了實現工藝控制的相關功能；DCS單個回路的可靠性為10-1，相當于表8中SIL-1的安全儀表回路的可靠性，印證了表7的采納結論。

7 危險化工工藝的控制系統與相關安全設施

危險化工工藝的控制系統與相關安全設施如表9所示。

表6 反應工藝危險度等級評估準則

表7 危險工藝反應安全風險分析和落實情況

表8 安全完整性等級（SIL）定義及對應情況

表9 危險化工工藝的控制系統與相關安全設施

8 其他安全對策和措施

8.1 工藝系統操作方面

（1）通入氫氣，開始氫化時，人員離開反應區域，在控制室完成遠程可視化手動/自動控制操作；

（2）依據工藝生產的特點，遠程監控記錄及控制相應的溫度、壓力、液位、流量等參數；

（3）設置可燃氣體/有毒氣體的檢測及報警裝置。

8.2 平面布置方面

（1）宜單獨設置氫化車間，每個氫化反應釜均單獨設置房間；

（2）有足夠的泄爆面積；

（3）氫化反應間內盡可能不布置與氫化反應無關的設備；

（4）氫氣瓶間宜設置在氫化車間的邊緣部分，并單獨存放氫氣瓶，應與氧氣、壓縮空氣、鹵素、氧化劑及其他助燃性氣瓶隔離存放。

8.3 管道的設計與布置

（1）氫氣管道的設計流速一般不大于10 m/s。

（2）管材應為無縫鋼管，閥門宜采用球閥或截止閥。

（3）氫氣管道泄漏量試驗合格后必須使用不含油的氮氣吹掃直至出口無鐵銹、塵土及其他臟物。

（4）供氫管路宜單獨設置供應使用點；氫氣管道不得穿過不使用氫氣的房間或技術夾層；氫氣管道穿過墻壁或樓板時應敷設在套管內，套管內的管段不應有焊縫，氫氣管道穿越處孔洞應用阻燃材料封堵。

（5）氫氣管道在房間入戶處應設切斷閥，與使用氫氣的設備之間應安裝止回閥，車間內管道末端宜設放空管。

（6）氫氣放空管應設置阻火器，阻火器應設在管口處；放空管應引至室外，放空管管口應高出屋脊3.5 m，放空管同時應有防雨雪浸入和雜物堵塞的預防措施，壓力大于0.1 MPa時，阻火器后的管材應該采用不銹鋼管。

（7）架空管道不應與電纜、導電線路、高溫管線共用同一支架。

（8）氫氣管道與氧氣管道、其他可燃氣體、可燃液體管道共架敷設時保持不小于250 mm的凈距；分層敷設時，氫氣管道應在其他管道上方。

（9）碳鋼材質的氫氣管道的焊接宜采用氬弧焊打底；不銹鋼管道的焊接應采用氬弧焊。

（10）氫氣管道的連接，應采用焊接，與設備、閥門的連接，可采用法蘭或錐管螺紋連接；螺紋連接處，應采用聚四氟乙烯作為填料。

8.4 土建方面

氫化間的頂部平面應平整，防止氫氣在頂部凹處積聚。建筑物頂部或外墻的上部應設氣窗或排氣孔。排氣孔應設在最高處，并朝向安全地帶。

8.5 電氣方面

（1）氫化間內的電氣設施選型，不應低于氫氣爆炸混合物的危險等級ⅡC、溫度組別T1；

（2）暴露于室外的設備，如安全罐、屋面的風機、風管、氫化反應釜的放空管等應有防雷措施；

（3）在氫氣有可能積聚處或氫氣濃度可能增加處，宜設置固定式可燃氣體檢測報警儀，該儀器應設在監測點（釋放源）上方或房間頂端，其安裝高度宜高出釋放源0.5～2 m，且周圍留有不小于0.3 m的凈空。

8.6 通風條件

（1）氫氣使用區域應通風良好，保證空氣中氫氣最高含量不超過1%（體積）。采用機械通風的建筑物，進風口應設在建筑物下方，排風口設在上方。

（2）事故排風裝置應與氫氣檢測裝置連鎖。

9 注意事項

（1）根據研究分析，可以確定危險有害事故的發生與生產操作參數正常與否具有正相關性。

（2）通過對間歇加氫工藝的HAZOP進行研究，可以發現若出現超高溫、超高壓和攪拌器停轉等不正常因素時，將提高發生事故的可能性，同時造成的危險性也較大。因此，對溫度、壓力和攪拌速率等的控制是防止加氫反應發生事故的關鍵。同時防止各種泄漏是保證其安全生產的基本條件。

（3）攪拌器、加熱/冷卻系統和真空系統出現故障對生產安全影響重大，應予以重點關注。

（4）間歇加氫反應對操作人員的要求很高，包括設備清洗、氮氣置換、加料、反應參數控制和反應物處置等。因此相關操作人員必須經過安全、應急、搶救專業的培訓合格后方能上崗操作。

（5）由于加氫屬于危險工藝，反應使用的原料為易燃易爆品、自燃品且操作條件控制要求苛刻，稍有不慎，極易發生火災、爆炸、中毒等事故。因此在設計時應采取緊急排放、多重操作參數檢測和顯示、安全連鎖、安全報警等多項技術措施。

10 結語

針對間歇加氫工藝的危害性分析已有較系統的分析方法，例如采用安全檢查表、預先危險性分析、危險度評價、事故樹法、重大事故后果分析法等，大多都屬于定性分析，而HAZOP風險矩陣分析法、保護層分析法（LOPA）屬于半定量分析的方法。

加氫工藝的安全設計需要基于工藝流程簡圖、工藝操作規程等基礎資料，從工藝、設備、控制、操作、維修、保養、管理等方面進行HAZOP研究，提出相應的安全對策和措施；同時針對間歇加氫工藝中涉及的原料、中間體物料、產品等化學品進行熱穩定測試，對化學反應過程開展熱力學和動力學分析，給出反應工藝危險度等級評定；結合LOPA工具，了解假想事故情景是否有足夠的保護層，判斷現有的安全措施是否處于可接受的水平，以此確定安全儀表系統的安全完整性等級（SIL）。

加氫工藝的本質安全必須要從工藝設計的本質安全開始，從工程設計的源頭做起，工藝設計中采取的安全措施為加氫生產運行的安全奠定了良好的基礎。加氫工藝設計人員和加氫生產運行的操作、管理人員必須深入了解加氫工藝的特性，為加氫工藝裝置的安全生產提供更加可靠的保障。