加氫反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)

李美松，鄭濤，張謙

（杭州大遠(yuǎn)智控技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100）

加氫反應(yīng)器是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際生產(chǎn)過程中一種非常重要的設(shè)備，不僅可以用作加氫反應(yīng)的容器，而且也可用于液體和氣體需要充分混合的場合。加氫反應(yīng)器常用于將石油工業(yè)中最難利用的重質(zhì)部分——渣油加氫轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油，從而生產(chǎn)出汽油、柴油等。加氫反應(yīng)器在化學(xué)制藥方面也有廣泛的用途，可作為產(chǎn)品開發(fā)、有機(jī)化學(xué)制品和醫(yī)藥品研究的基礎(chǔ)設(shè)備，還可用于定量分析工業(yè)過程中催化劑的活性。此外，加氫過程還作為一種精制手段，用于除去有機(jī)原料或產(chǎn)品中所含少量有害而不易分離的雜質(zhì)。

常用的加氫反應(yīng)器大致分為兩類。一類用于高沸點(diǎn)液體或固體（固體需先溶于溶劑或加熱熔融）原料的液相加氫過程，如油脂加氫、重質(zhì)油品的加氫裂解等。液相加氫常在加壓下進(jìn)行，過程可以是間歇式的，也可以是連續(xù)的。間歇液相加氫常采用具有攪拌裝置的壓力釜或鼓泡反應(yīng)器，連續(xù)液相加氫可采用涓流床反應(yīng)器或氣、液、固三相同向連續(xù)流動的管式反應(yīng)器。另一類反應(yīng)器用于氣相連續(xù)加氫過程，如苯常壓氣相加氫制環(huán)己烷、一氧化碳高壓氣相加氫合成甲醇等，反應(yīng)器的類型可以是列管式或塔式。

根據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》[1]，氫氣管道推薦流速不大于8 m/s，放空管內(nèi)氫氣流動的推動力是釜內(nèi)外的壓差，靜壓能降低主要轉(zhuǎn)化為兩部分能量——流體動能和阻力損失。雖然化工原理中有計(jì)算摩擦因子以及局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，但是在實(shí)際生產(chǎn)中阻力損失不易計(jì)算，而且一般在工程設(shè)計(jì)中也不會做此精確計(jì)算。因?yàn)闊o法確定管道阻力，要保證安全流速，很難確定放空管道需要的起點(diǎn)壓力。

在公開報道的加氫裝置[2-8]中，在放空管出口管道安裝調(diào)節(jié)閥，并在閥后安裝遠(yuǎn)傳壓力表，通過閥門開度控制壓力在微正壓（50 kPa）。由于氣體密度比較小，50 kPa 的推動力已經(jīng)使氫氣管道的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全流速。一般在加氫放空管出口會加水封或者高流量聯(lián)鎖蒸汽滅火，當(dāng)出口流速過高引起靜電起火可以及時撲滅火苗，而且放空管裝有阻火器，防止火苗躥入釜中。但是這些只是防止流速過高可能引起的事故而采取的安全措施，工藝本質(zhì)上是不安全的，因?yàn)椴]有解決放空管超過安全流速的問題。如果管道中的法蘭或者焊縫出現(xiàn)泄漏點(diǎn)，在泄漏點(diǎn)靜電起火，就會引起事故，因此要使工藝本質(zhì)安全，必須控制管道流速。

為解決上述加氫反應(yīng)釜放空管道流速不可控的問題，提升生產(chǎn)安全，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種加氫反應(yīng)釜放空流速控制方案。

1 現(xiàn)有裝置存在的問題

調(diào)節(jié)氫氣放空管出口的壓力只能起到限流作用，不能起到控制流速的目的，工藝和控制從本質(zhì)上是不安全的。同時，如果出口管道很長，配管彎頭、管件和閥門多，管道阻力大，流體靜壓頭減少的能量大部分因?yàn)楣艿雷枇Χ鴵p失，轉(zhuǎn)化為動能部分很少，導(dǎo)致管道流速過低、延長氫氣排放時間和單批次生產(chǎn)的總時間，降低生產(chǎn)效率。

另外，氫氣密度很小，流動需要的推動力很小（不到5 kPa），加上管道阻力，總的推動力不會超過50 kPa，調(diào)節(jié)閥無法精確地控制如此小的壓力，容易調(diào)節(jié)過度，無法達(dá)到控制流速的目的。為了防止空氣進(jìn)入加氫系統(tǒng)，一般放空管出口加水封，因此在放空時調(diào)節(jié)閥后的壓力還必須克服水封的阻力才能排放，而水封高度是波動的（當(dāng)水自然揮發(fā)液位降低時補(bǔ)水），整個管路的阻力又增加了一項(xiàng)不確定性因素。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

對加氫反應(yīng)的反應(yīng)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基本結(jié)構(gòu)由氫化釜本體和出料機(jī)構(gòu)，包括設(shè)于氫化釜本體頂部的放空管道及設(shè)于氫化釜本體底部的釜底出料管組成。放空管道上由靠近氫化釜本體為近端向遠(yuǎn)端依次設(shè)有限流孔板、放空管流量計(jì)、放空調(diào)節(jié)閥及放空開關(guān)閥；控制系統(tǒng)根據(jù)放空管流量計(jì)反饋信息控制放空調(diào)節(jié)閥的開度及放空開關(guān)閥的開關(guān)；反應(yīng)釜還包括設(shè)于氫化釜本體上的進(jìn)料機(jī)構(gòu)、控溫機(jī)構(gòu)及安全防護(hù)機(jī)構(gòu)。在加氫反應(yīng)中，反應(yīng)原料一般包括固相催化劑、液相原料及氫氣。反應(yīng)原料通過進(jìn)料機(jī)構(gòu)投入反應(yīng)釜本體中，在反應(yīng)釜本體中發(fā)生加氫化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，控溫機(jī)構(gòu)用于控制反應(yīng)釜本體的溫度，在所需溫度條件內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)安全防護(hù)機(jī)構(gòu)會在反應(yīng)釜本體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)處于非正常、危險的狀態(tài)下采取動作。出料時，固體及液體通過設(shè)于氫化釜本體底部的釜底出料管排出反應(yīng)釜本體，氫氣通過設(shè)于氫化釜本體頂部的放空管道排出。加氫反應(yīng)裝置見圖1。

圖1 加氫反應(yīng)裝置

為保證氫氣排空時流速可控，保證氫氣排放的安全，該反應(yīng)裝置通過在氫氣排出的放空管道上由氫化釜本體（1）近端向遠(yuǎn)端依次設(shè)有限流孔板（2）、放空管流量計(jì)（3）、放空調(diào)節(jié)閥（4）及放空開關(guān)閥（5）。在氫氣排出流通放空管道（6）時，限流孔板將高壓氫氣的壓力降到100 kPa 以下，氫氣接著流過放空管流量計(jì)，放空管流量計(jì)采集氫氣流量信息，并將流量信息反饋給遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)流量信息控制設(shè)于放空管流量計(jì)后的放空調(diào)節(jié)閥的開度，以保證氫氣的流速。在正常狀態(tài)下，放空開關(guān)閥處于打開狀態(tài)，當(dāng)通過限流孔板和放空管流量計(jì)的氫氣流速超過設(shè)定高限值時，自控系統(tǒng)自動關(guān)閉放空開關(guān)閥，防止釜內(nèi)氫氣排放因流速過高而引起安全事故。

在本反應(yīng)裝置中，通過在氫氣排出的放空管道上設(shè)計(jì)流量控制、阻火設(shè)置及出口水封設(shè)置，以確保氫氣排空過程的安全性。放空管道上設(shè)有阻火器（7），阻火器設(shè)于放空開關(guān)閥遠(yuǎn)端，用于防止放空管道出現(xiàn)起火現(xiàn)象、火苗竄入反應(yīng)釜本體中。同時，管道出口設(shè)有水槽（8）進(jìn)行水封，當(dāng)氫氣流速過高引起放空口起火時，可以防止火沿管道竄入釜中。

進(jìn)料機(jī)構(gòu)設(shè)于氫化釜本體頂部，包括固體投料口（9）、液相進(jìn)料管（10）、氮?dú)膺M(jìn)料管（11）及氫氣進(jìn)料管（12）。固體投料口用于固相催化劑的投料，液相進(jìn)料管用于液相反應(yīng)物料的加料，氮?dú)膺M(jìn)料管用于氮?dú)獾耐ㄈ耄瑲錃膺M(jìn)料管用于氫氣的通入。氫氣進(jìn)料管上由靠近氫化釜本體為近端向遠(yuǎn)端依次設(shè)有第一氫氣開關(guān)閥（13）、第二氫氣開關(guān)閥（14）、氫氣進(jìn)料調(diào)節(jié)閥（15）及氫氣進(jìn)料流量計(jì)（16）；控制系統(tǒng)根據(jù)氫氣進(jìn)料流量計(jì)反饋信息控制氫氣進(jìn)料調(diào)節(jié)閥的開度，保證氫氣流速。當(dāng)氫氣流速處于非正常狀態(tài)時，控制系統(tǒng)下達(dá)指令關(guān)閉第一氫氣開關(guān)閥（13）和第二氫氣開關(guān)閥（17），確保氫氣進(jìn)料過程的安全性。氮?dú)膺M(jìn)料管上設(shè)有第一手動球閥（18）與氮?dú)庵Ч埽?9），氮?dú)膺M(jìn)料管與放空管道通過氮?dú)庵Ч苓B接，氮?dú)庵Ч苌显O(shè)有第二手動球閥（20）。在加氫反應(yīng)開始前，向反應(yīng)釜本體中通入氮?dú)?，將反?yīng)釜本體中的空氣排出。通入氮?dú)鈺r，打開第一手動球閥，通入氮?dú)猓煌ㄈ氲獨(dú)饨Y(jié)束時，關(guān)閉第一手動球閥，打開第二手動球閥，使管道中的氮?dú)馔ㄟ^放空管道排出。

液相進(jìn)料管（21）上設(shè)有液相進(jìn)料開關(guān)閥（22）?？販貦C(jī)構(gòu)包括設(shè)于氫化釜本體外表面的夾套（23）、設(shè)于夾套底部的媒介進(jìn)料管及設(shè)于夾套頂部的媒介出料管。媒介進(jìn)料管包括熱媒進(jìn)料管（24）與冷媒進(jìn)料管（25）2 條支路管道。熱媒進(jìn)料管設(shè)置串聯(lián)連接的第一熱媒進(jìn)口閥（26）與第二熱媒進(jìn)口閥（27）。第一熱媒進(jìn)口閥的作用是防止反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)溫度超高出現(xiàn)爆炸危險，用于緊急關(guān)閉。第二熱媒進(jìn)口閥的主要作用是控制熱媒的進(jìn)出，保證反應(yīng)釜的供溫。第一熱媒進(jìn)口閥在通常情況下處于打開狀態(tài)，當(dāng)反應(yīng)釜本體溫度過高，遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)緊急關(guān)閉第一熱媒進(jìn)口閥。冷媒進(jìn)料管設(shè)置并聯(lián)連接的第一冷媒進(jìn)口閥（28）與第二冷媒進(jìn)口閥（29）。在通常情況下，冷媒介通過第二冷媒進(jìn)口閥流通媒介進(jìn)料管，進(jìn)入夾套內(nèi)，給反應(yīng)釜本體供溫。第一冷媒進(jìn)口閥的作用是作為冷媒進(jìn)料的備用管道，在第二冷媒進(jìn)口閥損壞時，通入冷媒介。

媒介出料管包括熱媒出料管（30）與冷媒出料管（31）2 條支路管道。熱媒出料管設(shè)置串聯(lián)連接的第一熱媒出口閥（32）與第二熱媒出口閥（33）。第一熱媒出口閥在通常情況下處于打開狀態(tài)。第二熱媒出口閥的開關(guān)用于控制熱媒介的流出。冷媒出料管設(shè)置并聯(lián)連接的第一冷媒出口閥（34）與第二冷媒出口閥（35）。第一冷媒出口閥在通常情況下處于關(guān)閉狀態(tài)。第二冷媒出口閥的開關(guān)用于控制冷媒介的流出。當(dāng)需要使反應(yīng)釜本體處于低溫狀態(tài)時，需要使冷媒介處于流通狀態(tài)；當(dāng)?shù)诙涿匠隹陂y損壞時，第一冷媒出口閥作為冷媒出料的備用管道，流出冷媒介使冷媒介處于流通狀態(tài)。

安全防護(hù)機(jī)構(gòu)包括設(shè)于氫化釜本體頂部的泄爆管（36）及設(shè)于泄爆管上的爆破片（37）。當(dāng)反應(yīng)釜壓力過高時，爆破片爆破，使反應(yīng)釜泄壓，防止反應(yīng)釜本體爆炸。

3 裝置特點(diǎn)

與目前僅能對氫氣排放管口的壓力進(jìn)行限流的現(xiàn)有方法相比，本文所提出的加氫反應(yīng)裝置通過結(jié)合流量控制、阻火裝置以及出口水封的配置，共同確保氫氣排放的安全性。通過限流孔板限流，保證放空管的壓力降到微正壓，同時閥門前后壓差變小，對調(diào)節(jié)閥的選型要求降低，也減少內(nèi)漏風(fēng)險。控溫機(jī)構(gòu)通過熱媒進(jìn)口閥、冷媒進(jìn)口閥、熱媒出口閥及冷媒出口閥的聯(lián)動動作，保證反應(yīng)釜本體內(nèi)的反應(yīng)溫度處于正常溫度，避免意外的發(fā)生。

4 結(jié)語

作為精細(xì)化工和化學(xué)制藥生產(chǎn)過程中常見設(shè)備，加氫反應(yīng)裝置在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文所設(shè)計(jì)的加氫反應(yīng)裝置采用了一系列裝置，包括流量控制、阻火設(shè)置以及出口水封等，不僅可以大幅降低反應(yīng)過程的能耗，還能提高反應(yīng)效率，更重要的是解決加氫化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)釜排氣管道流速不受控制的問題，從而提升加氫裝置的本質(zhì)安全性。