加氢工艺安全控制设计指导方案

PAGE19PAGE1概述1.1加氢工艺加氢反应属还原的范畴。氢与其他化合物相互作用的反应过程，通常是在催化剂存在下进行的。1.2加氢反应类型1.2.1按照加氢过程分类（1）直接加氢反应氢与一氧化碳或有机化合物直接加氢，例如一氧化碳加氢生产甲醇；己二腈加氢生产己二胺；环戊二烯加氢生产环戊烯。（2）氢解反应氢与有机化合物反应的同时，伴随着化学键的断裂，这类加氢反应又称氢解反应，包括加氢脱烷基、加氢裂化、加氢脱硫等。例如烷烃加氢裂化、甲苯加氢脱烷基制苯、硝基苯加氢还原制苯胺、油品加氢精制中非烃类的氢解。1.2.2按反应原料分类（1）不饱和炔烃、烯烃的三键和双键加氢反应在脂肪烃类的不饱和键上发生氢加成的反应。如：环戊二烯加氢生产环戊烯等。（2）芳烃加氢反应在芳香烃的芳环上发生氢加成的反应。如：苯加氢生产环己烷；苯酚加氢生产环己醇等。（3）含氧化合物加氢反应在含氧化合物的碳氧双键上发生氢加成的反应。如：一氧化碳加氢生产甲醇；丁醛加氢生产丁醇；辛烯醛加氢生产辛醇等。（4）含氮化合物加氢反应在含氮有机化合物的氮原子上发生的加氢反应。如：己二腈加氢生产己二胺；硝基苯催化加氢生产苯胺等。（5）油品加氢反应对石油的馏分油在催化剂和一定条件下进行加氢，以脱除其中有害的S、N等元素，如：渣油加氢改质；减压馏分油加氢改质；催化脱蜡生产低凝柴油、润滑油基础油等。1.3加氢工艺关键设备和重点监控单元1.3.1加氢工艺的关键设备加氢工艺主要关键设备为加氢反应釜和氢气压缩机。在加氢反应中，苯加氢工艺、烯烃加氢工艺、苯酚加氢工艺等多用管式反应器，也有使用釜式反应器的。石化工业中，加氢反应多为塔式反应器。1.3.2加氢工艺的重点监控单元加氢工艺重点监控单元为加氢反应单元和氢气压缩单元。加氢工艺加氢反应单元和氢气压缩单元重点监控加氢反应釜或催化床层温度、压力、加氢反应釜内搅拌速率、氢气流量、系统氧含量、反应物质的配比、加氢反应尾气组成等。氢气压缩单元重点监控氢气压缩机运行参数等。1.4加氢工艺涉及的主要危险介质1.4.1原料及产品加氢反应主要涉及的危险原料及产品主要有氢气、苯、萘等芳香烃类、环戊二烯、环戊烯等不饱和烃、硝基苯、乙二腈等硝化或含氮烃类、一氧化碳、丁醛、甲醇等含氧化合物以及石油化工中馏分油、减压馏分油等油品。可燃气体有一氧化碳、乙炔等，低沸点可燃液体有苯、甲苯、硝基苯和环戊二烯等，沸点较高的可燃液体或可燃固体有石蜡、馏分油、减压馏分油等。有毒液体有苯胺、硝基苯等，有毒气体有一氧化碳等。1.4.2催化剂加氢反应催化剂主要有四类：金属催化剂，常用的是第八族过渡元素，如骨架镍、镍-硅藻土、铂-氧化铝、钯-氧化铝等；金属氧化物催化剂，如氧化铜－亚铬酸铜、氧化铜-氧化锌、氧化铜-氧化锌-氧化铬、氧化铜-氧化锌-氧化铝等，主要用于醛、酮、酯、酸以及一氧化碳等化合物的加氢；金属硫化物催化剂，如镍－钼硫化物、钴-钼硫化物、硫化钨、硫化钼等，通常以γ-氧化铝为载体，主要用于含硫、含氮化合物的氢解反应，部分硫化的氧化钴-氧化钼-氧化铝催化剂常用于油品的加氢精制；络合催化剂，如RhCl[P（C6H5）3]3，主要用于均相液相加氢。1.5XX省主要加氢工艺产品目录XX省主要加氢工艺产品目录详见附表1。2危险性分析加氢反应为放热反应，且大多在较高温度下进行，氢气以及大部分所使用的物料具有易燃易爆危险性，部分物料、产品或中间产物存在毒性、腐蚀性。若物料泄漏、反应器堵塞，引起火灾、爆炸。2.1固有危险性固有危险性指加氢反应中的原料、产品、中间产品等本身具有的危险有害特性。2.1.1火灾爆炸危险性加氢反应涉及的原料、产品、中间产品等具有易燃易爆性，如氢气、一氧化碳等为甲类易燃易爆气体，苯、环戊烯等均为易燃液体，其蒸汽与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热引发燃烧爆炸的危险，硝基苯为可燃液体，遇明火、高热可燃，部分氢化反应使用的催化剂如雷尼镍属于易燃固体，可以自燃，加氢反应过程中产生的副产物如硫化氢等多为可燃物质。加氢工艺中，氢气爆炸极限为4.1%~74.2%，当出现泄漏或设备内混入空气或氧气，易发生爆炸危险。2.1.2中毒危险性加氢反应涉及到的原料、产品、有机溶剂等具有毒性，如苯酚、甲苯、硝基苯、苯胺等，苯酚为高毒物质，对皮肤、黏膜有强烈的腐蚀作用，可抑制中枢神经或损害肝、肾功能。2.1.3腐蚀及其他危险性加氢反应副产品硫化氢、氨气等物质均有腐蚀性。某些加氢工艺的原料或产品本身带有腐蚀性，如苯酚。2.2工艺过程危险性加氢反应过程为放热反应，且反应温度、压力较高，所用原料大多易燃易爆，部分原料和产品有毒性、腐蚀性。所以加氢反应工艺中存在诸多不安全因素。2.2.1反应过程的危险性加氢反应大量使用氢气，而且反应温度和反应压力都较高，在高压下氢气与钢材发生反应，产生氢腐蚀，使碳钢的强度下降而硬度增大，如设备或管道更换不及时，会在高压下发生容器爆炸。加氢工艺过程中可能有硫化氢气体产生，当出现泄漏，可能引发中毒事故，同时工艺中产生的硫化氢对工艺设备也有腐蚀性。另外，加氢反应是放热反应，局部温度升高产生热应力导致反应器泄漏。在开、停车时，惰性气体吹扫不完全，设备内有残留氢气或空气，在停、开车时都会引起火灾、爆炸事故。2.2.2反应安全风险评估按要求开展反应安全风险评估的企业，应按照《精细化工反应安全风险评估导则（试行）》进行反应安全风险评估，综合反应安全风险评估结果，考虑不同的工艺危险程度，建立相应的控制措施。2.2.3危险和可操作性分析针对具体的加氢工艺，应在基础设计阶段开展危险和可操作性分析（HAZOP），及预先危险分析（PHA）或事故树分析（ETA）等定性、定量风险评价方法，对整个工艺过程的危险性进行分析。3重点监控的工艺参数和控制要求3.1温度由于加氢反应为强放热反应，当反应釜器温度过高时，会导致反应速率加快、失控，当温度超出安全范围时可能出现危险，因此加氢反应器、氢预热器及其他原料汽化器、预热器等设备的温度均需严格监控。3.2压力如果反应器中压力高于正常操作值，会使加氢反应难以控制，同时加快临氢设备的腐蚀速度，因此应对反应器压力进行监控。同时，原料汽化器、氢气混合器等的压力应进行监控，防止因特殊原因导致氢气混合器、原料汽化器等设备压力过高发生火灾爆炸危险。3.3投料速度和物料配比加氢过程反应器温度和压力都与投料速度有关，投料速度在原料汽化器、氢气混合罐、反应器进料口处进行监控。投料速度过快或波动将出现温度、压力过高产生火灾爆炸危险，同时影响反应器内物料配比。物料配比影响反应过程和产品质量，若氢气配比过低，影响产品质量；若氢气配比过高可能导致循环氢量增加，造成能源损耗。3.4加热系统加氢反应大多在较高的温度下进行，物料经预热或在反应器内加热到反应温度进行加氢反应，反应器进料口温度直接影响反应器内温度，因此应对预热或反应器进行温度监控。3.5冷却系统加氢反应为强放热反应，反应过程中释放大量热量，如不及时移除热量，造成加氢反应器超温超压，引发设备爆炸事故，因此需严格监控冷却系统，如冷却剂温度、流量或压力等。3.6其他在加氢反应过程中，反应温度、压力较高，氢及大多数反应原料具有易燃、易爆危险性，因此应对原料成分进行监控，防止因原料中含杂质进入反应器造成危险，同时对反应生成物的组成、尾气组成也要进行监控。4推荐的安全控制方式4.1参数控制方式加氢反应釜或催化剂床层的温度、压力、反应釜搅拌速率、氢气流量、反应物质的配料比、系统氧含量、冷却剂流量、氢气压缩机运行参数、反应尾气组成等重点监控工艺参数的控制方式见附表2。4.2工艺系统控制方式4.2.1基本监控要求加氢工艺的生产装置设置的自动控制系统应达到重点监管危险化工工艺目录中有关安全控制的基本要求，重点监控工艺参数应传送至控制室集中显示，并按照宜采用的控制方式设置相应的联锁。自动控制系统应具备远程调节、信息存储、连续记录、超限报警、联锁切断、紧急停车等功能。记录的电子数据的保存时间不少于30天。4.2.2基本控制要求4.2.2.1加氢工艺安全控制基本要求中涉及反应温度、压力报警及联锁的自动控制方式至少满足下列要求：（1）连续加氢反应器应设紧急冷却系统、紧急停车系统、安全泄放系统。加氢反应器应设进料自动控制阀，通过改变进料流量调节反应压力和（或）温度，反应器温度和（或）压力高高报警联锁打开紧急冷却系统、紧急停车系统，打开安全泄放系统。应配置安全阀、爆破片等泄放设施。（2）间歇加氢反应釜应设紧急冷却系统、紧急停车系统、安全泄放系统。加氢反应釜应设氢气进料自动控制阀，通过改变氢气流量调节反应压力和（或）温度，反应釜压力和（或）温度高高报警联锁打开紧急冷却系统、紧急停车系统，打开安全泄放系统。当搅拌系统发生故障时联锁停止进料，打开安全泄放系统。应配置安全阀、爆破片等泄放设施。（3）监控冷却系统温度、流量，冷却系统异常联锁启动紧急停车。（4）属于同一种反应工艺，多个反应釜串连使用的，各釜应设温度、压力远传、报警，压力和（或）温度高高报警联锁；打开紧急冷却系统；当搅拌系统发生故障时联锁；打开安全泄放系统。应配置安全阀、爆破片等泄放设施。4.2.2.2其他（1）反应过程中需要通过调节冷却系统控制或者辅助控制反应温度的，应当设置自动控制回路，实现反应温度升高时自动提高冷却剂流量或加大循环量；调节精度要求较高的冷却剂应当设流量控制回路。（2）加氢工艺安全控制基本要求的涉及反应物质的配料比、系统氧含量、冷却剂流量、氢气压缩机运行参数、反应尾气组成等报警及联锁的安全控制方式，应同时满足《重点监管危险化工工艺目录》中的要求，并根据设计方案或HAZOP分析报告设置相应联锁系统。（4）在组分测量仪表条件满足时，根据工艺要求，加装系统氧含量在线分析仪，并将其分析结果远传至控制室。（5）设计时，应结合具体的工艺机理，合理的设置控制方案，避免出现因控制回路间密切相关、互相影响导致工艺参数无法控制的情况，控制措施中相互关联不允许发生耦合控制。（6）加氢反应区域设置视频监控，根据物料性质设置可燃、有毒气体检测报警系统。4.3根据反应安全风险评估结果，制定相应的控制措施所有涉及硝化、氯化、氟化、重氮化、过氧化工艺的化工生产装置按照《关于加强精细化工反应安全风险评估工作的实施方案》（安监总管三〔2017〕1号）要求必须完成反应安全风险评估，并综合反应安全风险评估结果，考虑不同的工艺危险程度，设置相应的控制措施，加氢工艺参照执行。4.4仪表系统选用原则4.4.1基本过程控制系统（BPCS）选用原则（1）基本过程控制系统（BPCS）宜首选DCS系统；（2）基本过程控制系统的CPU、通信、电源等模块应冗余设置。（3）生产过程中的重点工艺参数监控回路的AI、AO、DI、DO点应冗余配置，且相同仪表位号的AI、AO、DI、DO点应配置在不同的卡件上。（4）在控制室内加装紧急停车按钮，确保现场出现紧急情况（如氢气泄漏、重要设备损坏等）时，操作人员可在控制室内切断原料进料、启动紧急冷却系统、紧急泄放系统等。BPCS的报警及联锁的设计应满足《信号报警及联锁系统设计规范》（HG/T20511）之要求。4.4.2安全仪表系统选用原则针对具体的加氢工艺，依据反应安全风险评估结果、危险和可操作性分析（HAZOP）、LOPA分析确定相关各安全仪表功能（SIF）的安全完整性等级（SIL）。通过LOPA分析，安全仪表功能（SIF）的安全完整性等级（SIL）>1时，应配置独立于DCS系统之外的安全仪表系统（SIS），≤1的可以与DCS合并设置。根据仪表的安全性和可用性，测量仪表宜三取二。安全仪表系统的逻辑控制器硬件要求、测量仪表独立性和冗余性、最终元件独立性和冗余性等技术要求，须符合《石油化工安全仪表系统设计规范》（GB/T50770）规范要求。安全仪表系统在投入运行之前，应进行SIL等级的验证，验证合格方能投入运行。4.4.3气体检测报警系统（GDS）选用原则工艺的原料、中间产品及产品大多为有毒、易燃易爆物品，装置应按《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》（GB/T50493）设置独立的气体检测报警系统，并保证装置停车或工艺控制监控系统失效后，仍能有效地进行监测、报警。4.5其他安全设施对于具体的装置，考虑安全设施时不应孤立的看待具体的设备或工序，还应考虑相关的原料准备、产品储存、公用工程等相关设施和工序，任何一个工序出现故障都可能影响到整套装置的安全，在设置监控或联锁、报警时一并考虑进去。对于装置中因工艺参数失控而引起的过压、危及设备或管道时，除了设置自控、联锁系统外，还应设置爆破片、安全阀、单向阀、紧急排空阀及紧急切断装置等其他安全设施。5通用设计要求对于新建或改、扩建装置，在制定设计方案时，应根据工艺、自控及安全要求，结合本指导方案，进行优化设计。对于在役加氢工艺装置进行自控与安全联锁改造，增加或者完善安全控制系统，其设计工作应遵循以下原则要求：5.1收集产品工艺资料企业产品简介、使用工艺简介、加氢工艺管道与仪表流程图，涉及的设备简图和工艺物性参数、危险和可操作性分析（HAZOP）报告和保护层分析（LOPA）及SIL定级报告。按要求开展精细化工反应安全风险评估的企业，应提供反应安全风险评估报告。改造企业需提交的设计资料清单见附表3。5.2确定改造范围（1）与企业协商，根据《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）、《国家安全监管总局关于公布第二批重点监管危险化工工艺目录和调整首批重点监管危险化工工艺中部分典型工艺的通知》（安监总管三〔2013〕3号）、《关于加强化工安全仪表系统管理的实施方案》（安监总管三〔2014〕116号）文要求，确定需要改造的装置范围，实现加氢工艺过程的自控联锁。（2）核实加氢工艺过程所涉及的上下游工艺过程对反应装置的影响（如氢的制备与储存、冷媒的规格数量、惰性保护气体的规格数量等）。（3）将加氢工艺以及对该工艺过程产生影响的上下游的工艺过程和对工艺安全产生影响的相关公用工程，一并纳入自动化控制与安全联锁技术改造范围，确定控制方案，绘制PID图。5.3仪表设备选型（1）确定相关检测仪表型号。（2）计算并选定执行机构型号。（3）根据工艺过程复杂程度、检修能力等确定自动化和安全联锁的实现载体（如SIS、DCS；检测仪表、自控调节阀、紧急切断阀等）。5.4提交方案（1）工艺管道与仪表流程图（PID）；（2）顺序控制逻辑图（需要时）；（3）控制、报警、联锁一览表；（4）自控设备表；（5）检测取源和执行器改造图（说明或标注标准号）；（6）自控、联锁能源供应方案。5.5与建设方技术交底，提交改造图纸，签署设计变更6典型工艺安全控制系统改造设计方案某企业3，3’-二氯联苯胺盐酸盐加氢工段安全控制方案。6.1工艺简述3，3’-二氯联苯胺盐酸盐的合成是以邻硝基氯化苯为原料，在碱性介质中进行还原，生成2.2’-二氯氢化偶氮苯，然后2.2’-二氯氢化偶氮苯在酸性介质中进行重排而得3，3’-二氯联苯胺盐酸盐。反应方程式如下：6.2装置加氢工艺危险性分析6.2.1固有危险性原料氢气、溶剂甲苯的火灾危险性都属于甲类。它们的爆炸极限分别为4.1~74.1%、1.2~7.0%，与空气混合能形成爆炸混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。当生产设备及物料输送管道等出现泄漏、人为因素造成泄漏、在生产过程中因控制失灵、误操作、设备腐蚀老化等原因均可引起火灾爆炸。6.2.2工艺过程的危险性邻氯硝基苯加氢工艺是在较高温度、压力下进行的放热反应，温度、压力升高将使爆炸极限浓度范围扩大，增加了爆炸危险性。氢气一旦泄漏将会因静电火花引起爆炸。而且氢气在较高的温度、压力下与钢材接触，钢材内的碳分子易与氢气发生反应生成碳氢化合物，使钢制设备的强度降低，发生氢脆。加氢反应若不用氮气置换加氢反应器中的氧或置换不完全，反应釜中的氧将与通入反应釜的氢气形成爆炸性混合物，易引发爆炸。加氢反应尾气有未完全反应的氢气和其它杂质，在排放时易引发火灾或爆炸。装置中的加氢釜等设备以及输送物料的管道中存在高温介质，一旦出现泄漏溅及人体会发生灼烫事故。加氢反应中涉及到甲苯、硫酸等有毒物质，硫酸为第三类易制毒物质，对皮肤、粘膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。6.3装置加氢工艺控制方案综述加氢釜设紧急停车系统、紧急冷却系统、安全泄放系统。加氢釜设置温度、压力、搅拌电流、氢气流量远传显示、报警。加氢釜设氢气进料自动控制阀，通过改变氢气流量调节反应压力和温度。加氢釜设温度、压力远传、报警，温度高高报警联锁切断氢气进料、打开紧急冷却系统、停止搅拌，当搅拌系统发生故障时联锁切断进料，打开安全泄放系统。根据保护层分析（LOPA）及SIL定级报告，某企业3，3’-二氯联苯胺盐酸盐装置的安全完整性等级采用SIL2级。加氢釜温度高高，考虑仪表的安全和可用性，测量仪表三取二，联锁切断氢气进料、切断蒸汽、打开紧急冷却水、停止搅拌。本工序基本过程控制系统采用DCS系统，并配置了独立的安全仪表系统（SIS），以上控制、报警及联锁方式在控制室实现。工艺管道与仪表流程图见附图1，控制、报警、联锁一览表见附表4。7加氢工艺安全控制系统设计指导方案附表、附图7.1XX省主要加氢工艺产品目录（附表1）7.2加氢工艺重点监控参数的控制方式（附表2）7.3企业需提交的设计资料清单（附表3）7.4某企业加氢工艺控制、报警、联锁一览表（附表4）7.5某企业加氢工艺管道与仪表流程图（附图1）附表1XX省主要加氢工艺产品目录产品名称环己胺咖啡因一异丙氨、二异丙氨三氯氢硅罗哌卡因苯、甲苯、二甲苯间苯二胺苯乙醇烷基蒽醌双氧水邻叔丁基环己醇12-羟基硬脂酸甲醇丙醇丁烷二环己胺二甲基乐灵原药麦芽糖醇汽油、柴油辛醇2，3-环戊烯并吡啶木糖醇苯乙醇混合丁醇四氯糠醛脂肪胺糠醇附表2加氢工艺重点监控参数的控制方式序号工艺参数控制方式备注1加氢反应釜温度1、集中显示2、自控3、报警、联锁2加氢反应釜压力1、集中显示2、自控3、报警、联锁3氢压缩机出口压力1、集中显示2、自控3、报警、联锁4加氢反应釜氢气进料流量1、集中显示2、恒定或比值调节3、报警联锁5加氢反应釜搅拌速率1、集中显示2、报警或联锁8冷媒流量1、集中显示2、报警或联锁9反应物质的配料比1、集中显示2、报警或联锁10氢气压缩机运行参数1、集中显示2、报警或联锁11系统氧含量根据加氢工艺特点进行分析12加氢反应