楊裕棟 李 兵 洪彩華

（中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)聯(lián)合工程有限公司，湖北武漢430000）

0 引言

間歇加氫反應(yīng)在醫(yī)藥化工行業(yè)中是一種常見(jiàn)的工藝過(guò)程，由于其存在較大的火災(zāi)、爆炸、毒害等隱患，引發(fā)過(guò)很多重大的安全事故。近年來(lái)國(guó)家及地方政府陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)加氫工藝裝置的設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)進(jìn)行了約束。鑒于此，本文希望通過(guò)對(duì)間歇加氫反應(yīng)的安全設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以此指導(dǎo)加氫工藝裝置的安全生產(chǎn)。

1 HAZOP（危險(xiǎn)與可操作性分析）和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的意義

根據(jù)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)管理的通知》和《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》等的要求：凡涉及“兩重點(diǎn)一重大”和首次工業(yè)化設(shè)計(jì)的建設(shè)項(xiàng)目，必須在初步（基礎(chǔ)工程）設(shè)計(jì)階段開(kāi)展HAZOP（危險(xiǎn)與可操作性分析）；凡涉及重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝和金屬有機(jī)物合成反應(yīng)（包括格式反應(yīng)）的間歇和半間歇反應(yīng)，達(dá)到有關(guān)條件時(shí)要開(kāi)展反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

對(duì)工藝參數(shù)可能發(fā)生的各種偏差進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性分析，找出偏差發(fā)生的原因及可能導(dǎo)致的后果，提出相應(yīng)的控制措施；通過(guò)反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究具體反應(yīng)和原輔料在工藝過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合LOPA（保護(hù)層分析法）確定安全儀表系統(tǒng)的完整安全性等級(jí)（SIL）；根據(jù)各項(xiàng)建議措施和分析結(jié)果設(shè)計(jì)間歇加氫反應(yīng)，對(duì)提高加氫工藝裝置的安全可靠性，預(yù)防和減少事故的發(fā)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(kāi)氫化釜真空閥，真空度達(dá)到0.06～0.08 MPa時(shí)抽氣5 min，關(guān)閉真空閥門(mén)，打開(kāi)氮?dú)忾y通氮?dú)?，?dāng)壓力恢復(fù)到0 MPa時(shí)，關(guān)閉氮?dú)忾y門(mén)，再抽真空、通氮?dú)猓貜?fù)操作3次；

（2）將計(jì)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?dú)?，再通入氫氣，排空氮?dú)?，重?fù)操作3次，控制溫度在（55±3）℃，壓力為0.05～0.08 MPa，反應(yīng)7 h；

圖1 間歇加氫工藝流程簡(jiǎn)圖

（4）停止通氫氣，停止攪拌，排空氫氣，通氮?dú)?，置換氫氣3次；

（5）溫度控制在（55±3）℃，靜置30 min，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，用氮?dú)鈱浠械臍浠簤撼?；立即用乙醇沖洗氫化釜，將生產(chǎn)下批用的乙醇放入氫化釜內(nèi)，停止生產(chǎn)，并將投料口關(guān)閉。

3 間歇加氫工藝的過(guò)程危害性分析

加氫反應(yīng)是在有機(jī)化合物分子中加入氫原子的反應(yīng)，涉及加氫反應(yīng)的工藝過(guò)程為加氫工藝，主要包括不飽和鍵加氫、芳環(huán)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(guó)家安監(jiān)總局公布的首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品，加氫工藝屬于《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝》之一。由于加氫反應(yīng)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?jǐn)?shù)），具有高燃爆危險(xiǎn)特性；加氫反應(yīng)一般為放熱反應(yīng)，氫氣在高溫高壓下與鋼材接觸，鋼材內(nèi)的碳分子易與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成碳?xì)浠衔铮逛撝圃O(shè)備強(qiáng)度降低，發(fā)生氫脆現(xiàn)象；催化劑在再生與活化過(guò)程中易引發(fā)爆炸；一般在間歇加氫反應(yīng)投入催化劑（一般為鈀碳、雷尼鎳等）的過(guò)程中，若操作不當(dāng)，催化劑暴露于空氣中，可能發(fā)生著火事故；如果通氫過(guò)快，或者冷卻失效，可能導(dǎo)致升溫過(guò)快，發(fā)生沖料現(xiàn)象；加氫反應(yīng)在正壓下進(jìn)行，如果反應(yīng)開(kāi)始時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)空氣置換不徹底，混入的空氣與氫氣混合，可能產(chǎn)生爆炸；加氫反應(yīng)的尾氣中有未完全反應(yīng)的氫氣和其他雜質(zhì)在排放時(shí)易引發(fā)著火或爆炸事故。因此，在加氫工藝過(guò)程中潛藏著很多安全風(fēng)險(xiǎn)，一旦工藝參數(shù)發(fā)生偏差，將會(huì)導(dǎo)致重大安全事故。

4 國(guó)家安全監(jiān)管總局對(duì)加氫工藝的要求

根據(jù)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》規(guī)定，重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝的重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)、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(xiǎn)與可操作性分析）

5.1 HAZOP（危險(xiǎn)與可操作性分析）

傳統(tǒng)的HAZOP內(nèi)容包括：偏差、原因、后果、保護(hù)措施、建議措施。與傳統(tǒng)的HAZOP相比，HAZOP風(fēng)險(xiǎn)矩陣法在傳統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，利用事故的后果嚴(yán)重程度等級(jí)和事故發(fā)生頻率等級(jí)，在5×5風(fēng)險(xiǎn)矩陣中計(jì)算事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，使傳統(tǒng)的HAZOP方法從純定性分析改進(jìn)為半定量分析，提高了HAZOP方法識(shí)別危險(xiǎn)的分辨率和對(duì)安全措施實(shí)際效能的判斷能力。HAZOP分為節(jié)點(diǎn)劃分、確定節(jié)點(diǎn)偏差、對(duì)偏差進(jìn)行分析、確定事故后果等級(jí)[確定事故頻率等級(jí)、確定保護(hù)措施的事故頻率（Fu）、考慮保護(hù)措施的事故頻率（Fm）、事故頻率等級(jí)分類]、確定事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等過(guò)程。

表1 重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)、安全控制的基本要求

5.2 分析節(jié)點(diǎn)的選擇及HAZOP研究結(jié)果

為保證間歇加氫工藝的安全穩(wěn)定性，我們選擇其危險(xiǎn)性較大的單元進(jìn)行HAZOP研究。根據(jù)間歇加氫工藝流程可知，加氫反應(yīng)釜物料進(jìn)口、排氣和放料管道、夾套加熱和冷卻水進(jìn)出管道之間的管線對(duì)工藝過(guò)程的安全性起重要作用，故選擇該段設(shè)備及管線作為分析節(jié)點(diǎn)，對(duì)工藝參數(shù)可能發(fā)生的各種偏差進(jìn)行HAZOP，其分析結(jié)果如表2所示。

5.3 HAZOP建議項(xiàng)落實(shí)前后的風(fēng)險(xiǎn)分布情況

5.3.1 沒(méi)有建議項(xiàng)前的風(fēng)險(xiǎn)分布情況

沒(méi)有建議項(xiàng)前的風(fēng)險(xiǎn)分布情況如表3所示。

5.3.2 落實(shí)建議項(xiàng)后的風(fēng)險(xiǎn)分布情況

落實(shí)建議項(xiàng)后的風(fēng)險(xiǎn)分布情況如表4所示。

5.4 HAZOP結(jié)果實(shí)施情況

HAZOP結(jié)果實(shí)施情況如表5所示。

6 間歇加氫工藝的反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

間歇加氫工藝較為復(fù)雜，盡管對(duì)其進(jìn)行了半定量性質(zhì)的HAZOP研究，但對(duì)其安全風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)理和核心安全參數(shù)研究不系統(tǒng)、不透徹，極易造成配套的安全技術(shù)和工程措施缺乏針對(duì)性和有效性，并由此引發(fā)災(zāi)難性的生產(chǎn)安全事故。因此，應(yīng)針對(duì)間歇加氫工藝過(guò)程中涉及的原料、中間體物料、產(chǎn)品等化學(xué)品進(jìn)行熱穩(wěn)定測(cè)試，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)展熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。根據(jù)反應(yīng)熱、絕熱溫升等參數(shù)評(píng)估反應(yīng)的危險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)最大反應(yīng)速率到達(dá)時(shí)間等參數(shù)評(píng)估反應(yīng)失控的可能性，結(jié)合相關(guān)反應(yīng)溫度參數(shù)進(jìn)行多因素危險(xiǎn)度評(píng)估，確定反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)。根據(jù)反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)，明確安全操作條件，從工藝設(shè)計(jì)、儀表控制、報(bào)警與緊急干預(yù)（安全儀表系統(tǒng)）、物料釋放后的收集與保護(hù)、廠區(qū)和周邊區(qū)域的應(yīng)急響應(yīng)等方面，提出有關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)的防控建議。

表2 HAZOP分析結(jié)果

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

表3 沒(méi)有建議項(xiàng)前的風(fēng)險(xiǎn)分布情況

表4 落實(shí)建議項(xiàng)后的風(fēng)險(xiǎn)分布情況

表5 HAZOP結(jié)果實(shí)施情況

反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度評(píng)估是精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要評(píng)估內(nèi)容。反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度指的是工藝反應(yīng)本身的危險(xiǎn)程度，危險(xiǎn)度越大的反應(yīng)，反應(yīng)失控后造成事故的嚴(yán)重程度就越高。

將溫度作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)是工藝危險(xiǎn)度評(píng)估的重要原則。一般考慮4個(gè)重要的溫度參數(shù)，分別是工藝操作溫度Tp、技術(shù)最高溫度MTT、失控體系最大反應(yīng)速率到達(dá)時(shí)間為24 h對(duì)應(yīng)的溫度TD24以及失控體系可能達(dá)到的最高溫度MTSR，評(píng)估準(zhǔn)則如表6所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取包括目標(biāo)工藝溫度、失控后體系能夠達(dá)到的最高溫度、失控體系最大反應(yīng)速率到達(dá)時(shí)間為24 h對(duì)應(yīng)的溫度、技術(shù)最高溫度等數(shù)據(jù)。在反應(yīng)冷卻失效后，4個(gè)溫度參數(shù)值大小排序不同，根據(jù)分級(jí)原則，對(duì)失控反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度評(píng)估，形成不同的危險(xiǎn)度等級(jí)；根據(jù)危險(xiǎn)度等級(jí)，有針對(duì)性地采取控制措施。應(yīng)急冷卻、減壓等安全措施均可以作為系統(tǒng)安全的有效保護(hù)措施。對(duì)于反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度較高的反應(yīng)，需要對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化或者采取有效的控制措施，降低危險(xiǎn)度等級(jí)。常規(guī)控制措施不能奏效時(shí)，需要重新進(jìn)行工藝研究或工藝優(yōu)化，改變工藝路線或優(yōu)化反應(yīng)條件，減少反應(yīng)失控后物料的累積程度，保障工藝過(guò)程安全。

本案例的危險(xiǎn)工藝反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析和落實(shí)情況如表7所示。

根據(jù)分析結(jié)果表明，采取常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)主要的反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控及自動(dòng)調(diào)節(jié)（DCS或PLC），即可滿足該加氫工藝的安全儀表系統(tǒng)要求。

參照國(guó)際電工組織IEC 61508/61511標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，依照安全有效性/目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低因數(shù)來(lái)劃分安全完整性等級(jí)（SIL）。各安全完整性等級(jí)（SIL）定義如表8所示。

常規(guī)的DCS或PLC控制系統(tǒng)，其目的是為了實(shí)現(xiàn)工藝控制的相關(guān)功能；DCS單個(gè)回路的可靠性為10-1，相當(dāng)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(jié)論。

7 危險(xiǎn)化工工藝的控制系統(tǒng)與相關(guān)安全設(shè)施

危險(xiǎn)化工工藝的控制系統(tǒng)與相關(guān)安全設(shè)施如表9所示。

表6 反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)評(píng)估準(zhǔn)則

表7 危險(xiǎn)工藝反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析和落實(shí)情況

表8 安全完整性等級(jí)（SIL）定義及對(duì)應(yīng)情況

表9 危險(xiǎn)化工工藝的控制系統(tǒng)與相關(guān)安全設(shè)施

8 其他安全對(duì)策和措施

8.1 工藝系統(tǒng)操作方面

（1）通入氫氣，開(kāi)始?xì)浠瘯r(shí)，人員離開(kāi)反應(yīng)區(qū)域，在控制室完成遠(yuǎn)程可視化手動(dòng)/自動(dòng)控制操作；

（2）依據(jù)工藝生產(chǎn)的特點(diǎn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控記錄及控制相應(yīng)的溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)；

（3）設(shè)置可燃?xì)怏w/有毒氣體的檢測(cè)及報(bào)警裝置。

8.2 平面布置方面

（1）宜單獨(dú)設(shè)置氫化車間，每個(gè)氫化反應(yīng)釜均單獨(dú)設(shè)置房間；

（2）有足夠的泄爆面積；

（3）氫化反應(yīng)間內(nèi)盡可能不布置與氫化反應(yīng)無(wú)關(guān)的設(shè)備；

（4）氫氣瓶間宜設(shè)置在氫化車間的邊緣部分，并單獨(dú)存放氫氣瓶，應(yīng)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(shè)計(jì)與布置

（1）氫氣管道的設(shè)計(jì)流速一般不大于10 m/s。

（2）管材應(yīng)為無(wú)縫鋼管，閥門(mén)宜采用球閥或截止閥。

（3）氫氣管道泄漏量試驗(yàn)合格后必須使用不含油的氮?dú)獯祾咧敝脸隹跓o(wú)鐵銹、塵土及其他臟物。

（4）供氫管路宜單獨(dú)設(shè)置供應(yīng)使用點(diǎn)；氫氣管道不得穿過(guò)不使用氫氣的房間或技術(shù)夾層；氫氣管道穿過(guò)墻壁或樓板時(shí)應(yīng)敷設(shè)在套管內(nèi)，套管內(nèi)的管段不應(yīng)有焊縫，氫氣管道穿越處孔洞應(yīng)用阻燃材料封堵。

（5）氫氣管道在房間入戶處應(yīng)設(shè)切斷閥，與使用氫氣的設(shè)備之間應(yīng)安裝止回閥，車間內(nèi)管道末端宜設(shè)放空管。

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

（7）架空管道不應(yīng)與電纜、導(dǎo)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?xì)怏w、可燃液體管道共架敷設(shè)時(shí)保持不小于250 mm的凈距；分層敷設(shè)時(shí)，氫氣管道應(yīng)在其他管道上方。

（9）碳鋼材質(zhì)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(yīng)采用氬弧焊。

（10）氫氣管道的連接，應(yīng)采用焊接，與設(shè)備、閥門(mén)的連接，可采用法蘭或錐管螺紋連接；螺紋連接處，應(yīng)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(yīng)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(yīng)設(shè)氣窗或排氣孔。排氣孔應(yīng)設(shè)在最高處，并朝向安全地帶。

8.5 電氣方面

（1）氫化間內(nèi)的電氣設(shè)施選型，不應(yīng)低于氫氣爆炸混合物的危險(xiǎn)等級(jí)ⅡC、溫度組別T1；

（2）暴露于室外的設(shè)備，如安全罐、屋面的風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、氫化反應(yīng)釜的放空管等應(yīng)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(shè)置固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀，該儀器應(yīng)設(shè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)（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(fēng)條件

（1）氫氣使用區(qū)域應(yīng)通風(fēng)良好，保證空氣中氫氣最高含量不超過(guò)1%（體積）。采用機(jī)械通風(fēng)的建筑物，進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)在建筑物下方，排風(fēng)口設(shè)在上方。

（2）事故排風(fēng)裝置應(yīng)與氫氣檢測(cè)裝置連鎖。

9 注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)研究分析，可以確定危險(xiǎn)有害事故的發(fā)生與生產(chǎn)操作參數(shù)正常與否具有正相關(guān)性。

（2）通過(guò)對(duì)間歇加氫工藝的HAZOP進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)若出現(xiàn)超高溫、超高壓和攪拌器停轉(zhuǎn)等不正常因素時(shí)，將提高發(fā)生事故的可能性，同時(shí)造成的危險(xiǎn)性也較大。因此，對(duì)溫度、壓力和攪拌速率等的控制是防止加氫反應(yīng)發(fā)生事故的關(guān)鍵。同時(shí)防止各種泄漏是保證其安全生產(chǎn)的基本條件。

（3）攪拌器、加熱/冷卻系統(tǒng)和真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障對(duì)生產(chǎn)安全影響重大，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

（4）間歇加氫反應(yīng)對(duì)操作人員的要求很高，包括設(shè)備清洗、氮?dú)庵脫Q、加料、反應(yīng)參數(shù)控制和反應(yīng)物處置等。因此相關(guān)操作人員必須經(jīng)過(guò)安全、應(yīng)急、搶救專業(yè)的培訓(xùn)合格后方能上崗操作。

（5）由于加氫屬于危險(xiǎn)工藝，反應(yīng)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(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒等事故。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取緊急排放、多重操作參數(shù)檢測(cè)和顯示、安全連鎖、安全報(bào)警等多項(xiàng)技術(shù)措施。

10 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)間歇加氫工藝的危害性分析已有較系統(tǒng)的分析方法，例如采用安全檢查表、預(yù)先危險(xiǎn)性分析、危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)、事故樹(shù)法、重大事故后果分析法等，大多都屬于定性分析，而HAZOP風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析法、保護(hù)層分析法（LOPA）屬于半定量分析的方法。

加氫工藝的安全設(shè)計(jì)需要基于工藝流程簡(jiǎn)圖、工藝操作規(guī)程等基礎(chǔ)資料，從工藝、設(shè)備、控制、操作、維修、保養(yǎng)、管理等方面進(jìn)行HAZOP研究，提出相應(yīng)的安全對(duì)策和措施；同時(shí)針對(duì)間歇加氫工藝中涉及的原料、中間體物料、產(chǎn)品等化學(xué)品進(jìn)行熱穩(wěn)定測(cè)試，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)展熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，給出反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)評(píng)定；結(jié)合LOPA工具，了解假想事故情景是否有足夠的保護(hù)層，判斷現(xiàn)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(tǒng)的安全完整性等級(jí)（SIL）。

加氫工藝的本質(zhì)安全必須要從工藝設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全開(kāi)始，從工程設(shè)計(jì)的源頭做起，工藝設(shè)計(jì)中采取的安全措施為加氫生產(chǎn)運(yùn)行的安全奠定了良好的基礎(chǔ)。加氫工藝設(shè)計(jì)人員和加氫生產(chǎn)運(yùn)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(chǎn)提供更加可靠的保障。