加氢反应装置设计

李美松，郑涛，张谦

（杭州大远智控技术有限公司，浙江 杭州 311100）

加氢反应器是有机化学实验室和实际生产过程中一种非常重要的设备，不仅可以用作加氢反应的容器，而且也可用于液体和气体需要充分混合的场合。加氢反应器常用于将石油工业中最难利用的重质部分——渣油加氢转化为轻质油，从而生产出汽油、柴油等。加氢反应器在化学制药方面也有广泛的用途，可作为产品开发、有机化学制品和医药品研究的基础设备，还可用于定量分析工业过程中催化剂的活性。此外，加氢过程还作为一种精制手段，用于除去有机原料或产品中所含少量有害而不易分离的杂质。

常用的加氢反应器大致分为两类。一类用于高沸点液体或固体（固体需先溶于溶剂或加热熔融）原料的液相加氢过程，如油脂加氢、重质油品的加氢裂解等。液相加氢常在加压下进行，过程可以是间歇式的，也可以是连续的。间歇液相加氢常采用具有搅拌装置的压力釜或鼓泡反应器，连续液相加氢可采用涓流床反应器或气、液、固三相同向连续流动的管式反应器。另一类反应器用于气相连续加氢过程，如苯常压气相加氢制环己烷、一氧化碳高压气相加氢合成甲醇等，反应器的类型可以是列管式或塔式。

根据《化工工艺设计手册》[1]，氢气管道推荐流速不大于8 m/s，放空管内氢气流动的推动力是釜内外的压差，静压能降低主要转化为两部分能量——流体动能和阻力损失。虽然化工原理中有计算摩擦因子以及局部阻力系数的经验值，但是在实际生产中阻力损失不易计算，而且一般在工程设计中也不会做此精确计算。因为无法确定管道阻力，要保证安全流速，很难确定放空管道需要的起点压力。

在公开报道的加氢装置[2-8]中，在放空管出口管道安装调节阀，并在阀后安装远传压力表，通过阀门开度控制压力在微正压（50 kPa）。由于气体密度比较小，50 kPa 的推动力已经使氢气管道的流速远远超过安全流速。一般在加氢放空管出口会加水封或者高流量联锁蒸汽灭火，当出口流速过高引起静电起火可以及时扑灭火苗，而且放空管装有阻火器，防止火苗蹿入釜中。但是这些只是防止流速过高可能引起的事故而采取的安全措施，工艺本质上是不安全的，因为并没有解决放空管超过安全流速的问题。如果管道中的法兰或者焊缝出现泄漏点，在泄漏点静电起火，就会引起事故，因此要使工艺本质安全，必须控制管道流速。

为解决上述加氢反应釜放空管道流速不可控的问题，提升生产安全，现设计一种加氢反应釜放空流速控制方案。

1 现有装置存在的问题

调节氢气放空管出口的压力只能起到限流作用，不能起到控制流速的目的，工艺和控制从本质上是不安全的。同时，如果出口管道很长，配管弯头、管件和阀门多，管道阻力大，流体静压头减少的能量大部分因为管道阻力而损失，转化为动能部分很少，导致管道流速过低、延长氢气排放时间和单批次生产的总时间，降低生产效率。

另外，氢气密度很小，流动需要的推动力很小（不到5 kPa），加上管道阻力，总的推动力不会超过50 kPa，调节阀无法精确地控制如此小的压力，容易调节过度，无法达到控制流速的目的。为了防止空气进入加氢系统，一般放空管出口加水封，因此在放空时调节阀后的压力还必须克服水封的阻力才能排放，而水封高度是波动的（当水自然挥发液位降低时补水），整个管路的阻力又增加了一项不确定性因素。

2 优化设计

对加氢反应的反应装置进行优化设计，基本结构由氢化釜本体和出料机构，包括设于氢化釜本体顶部的放空管道及设于氢化釜本体底部的釜底出料管组成。放空管道上由靠近氢化釜本体为近端向远端依次设有限流孔板、放空管流量计、放空调节阀及放空开关阀；控制系统根据放空管流量计反馈信息控制放空调节阀的开度及放空开关阀的开关；反应釜还包括设于氢化釜本体上的进料机构、控温机构及安全防护机构。在加氢反应中，反应原料一般包括固相催化剂、液相原料及氢气。反应原料通过进料机构投入反应釜本体中，在反应釜本体中发生加氢化学反应，在反应过程中，控温机构用于控制反应釜本体的温度，在所需温度条件内，化学反应安全防护机构会在反应釜本体内化学反应处于非正常、危险的状态下采取动作。出料时，固体及液体通过设于氢化釜本体底部的釜底出料管排出反应釜本体，氢气通过设于氢化釜本体顶部的放空管道排出。加氢反应装置见图1。

图1 加氢反应装置

为保证氢气排空时流速可控，保证氢气排放的安全，该反应装置通过在氢气排出的放空管道上由氢化釜本体（1）近端向远端依次设有限流孔板（2）、放空管流量计（3）、放空调节阀（4）及放空开关阀（5）。在氢气排出流通放空管道（6）时，限流孔板将高压氢气的压力降到100 kPa 以下，氢气接着流过放空管流量计，放空管流量计采集氢气流量信息，并将流量信息反馈给远端控制系统，控制系统根据流量信息控制设于放空管流量计后的放空调节阀的开度，以保证氢气的流速。在正常状态下，放空开关阀处于打开状态，当通过限流孔板和放空管流量计的氢气流速超过设定高限值时，自控系统自动关闭放空开关阀，防止釜内氢气排放因流速过高而引起安全事故。

在本反应装置中，通过在氢气排出的放空管道上设计流量控制、阻火设置及出口水封设置，以确保氢气排空过程的安全性。放空管道上设有阻火器（7），阻火器设于放空开关阀远端，用于防止放空管道出现起火现象、火苗窜入反应釜本体中。同时，管道出口设有水槽（8）进行水封，当氢气流速过高引起放空口起火时，可以防止火沿管道窜入釜中。

进料机构设于氢化釜本体顶部，包括固体投料口（9）、液相进料管（10）、氮气进料管（11）及氢气进料管（12）。固体投料口用于固相催化剂的投料，液相进料管用于液相反应物料的加料，氮气进料管用于氮气的通入，氢气进料管用于氢气的通入。氢气进料管上由靠近氢化釜本体为近端向远端依次设有第一氢气开关阀（13）、第二氢气开关阀（14）、氢气进料调节阀（15）及氢气进料流量计（16）；控制系统根据氢气进料流量计反馈信息控制氢气进料调节阀的开度，保证氢气流速。当氢气流速处于非正常状态时，控制系统下达指令关闭第一氢气开关阀（13）和第二氢气开关阀（17），确保氢气进料过程的安全性。氮气进料管上设有第一手动球阀（18）与氮气支管（19），氮气进料管与放空管道通过氮气支管连接，氮气支管上设有第二手动球阀（20）。在加氢反应开始前，向反应釜本体中通入氮气，将反应釜本体中的空气排出。通入氮气时，打开第一手动球阀，通入氮气；通入氮气结束时，关闭第一手动球阀，打开第二手动球阀，使管道中的氮气通过放空管道排出。

液相进料管（21）上设有液相进料开关阀（22）。控温机构包括设于氢化釜本体外表面的夹套（23）、设于夹套底部的媒介进料管及设于夹套顶部的媒介出料管。媒介进料管包括热媒进料管（24）与冷媒进料管（25）2 条支路管道。热媒进料管设置串联连接的第一热媒进口阀（26）与第二热媒进口阀（27）。第一热媒进口阀的作用是防止反应釜内反应温度超高出现爆炸危险，用于紧急关闭。第二热媒进口阀的主要作用是控制热媒的进出，保证反应釜的供温。第一热媒进口阀在通常情况下处于打开状态，当反应釜本体温度过高，远端控制系统紧急关闭第一热媒进口阀。冷媒进料管设置并联连接的第一冷媒进口阀（28）与第二冷媒进口阀（29）。在通常情况下，冷媒介通过第二冷媒进口阀流通媒介进料管，进入夹套内，给反应釜本体供温。第一冷媒进口阀的作用是作为冷媒进料的备用管道，在第二冷媒进口阀损坏时，通入冷媒介。

媒介出料管包括热媒出料管（30）与冷媒出料管（31）2 条支路管道。热媒出料管设置串联连接的第一热媒出口阀（32）与第二热媒出口阀（33）。第一热媒出口阀在通常情况下处于打开状态。第二热媒出口阀的开关用于控制热媒介的流出。冷媒出料管设置并联连接的第一冷媒出口阀（34）与第二冷媒出口阀（35）。第一冷媒出口阀在通常情况下处于关闭状态。第二冷媒出口阀的开关用于控制冷媒介的流出。当需要使反应釜本体处于低温状态时，需要使冷媒介处于流通状态；当第二冷媒出口阀损坏时，第一冷媒出口阀作为冷媒出料的备用管道，流出冷媒介使冷媒介处于流通状态。

安全防护机构包括设于氢化釜本体顶部的泄爆管（36）及设于泄爆管上的爆破片（37）。当反应釜压力过高时，爆破片爆破，使反应釜泄压，防止反应釜本体爆炸。

3 装置特点

与目前仅能对氢气排放管口的压力进行限流的现有方法相比，本文所提出的加氢反应装置通过结合流量控制、阻火装置以及出口水封的配置，共同确保氢气排放的安全性。通过限流孔板限流，保证放空管的压力降到微正压，同时阀门前后压差变小，对调节阀的选型要求降低，也减少内漏风险。控温机构通过热媒进口阀、冷媒进口阀、热媒出口阀及冷媒出口阀的联动动作，保证反应釜本体内的反应温度处于正常温度，避免意外的发生。

4 结语

作为精细化工和化学制药生产过程中常见设备，加氢反应装置在多个领域发挥重要作用。本文所设计的加氢反应装置采用了一系列装置，包括流量控制、阻火设置以及出口水封等，不仅可以大幅降低反应过程的能耗，还能提高反应效率，更重要的是解决加氢化学反应过程中反应釜排气管道流速不受控制的问题，从而提升加氢装置的本质安全性。