惰性化操作及其在间歇加氢工艺中的应用

梁明杰，张 峰

(青岛科技大学，山东 青岛 266042)

惰性化操作及其在间歇加氢工艺中的应用

梁明杰，张 峰

(青岛科技大学，山东 青岛 266042)

本文通过介绍某企业间歇加氢工艺不同的氮气惰化方式，以惰化原理、方式及相关计算为出发点，确定了加氢工艺压力惰化的有效操作方法，并在企业中应用。

加氢反应；惰性化；最低需氧浓度

在精细化工生产中，有相当多的原料、半成品或成品具有易燃易爆性[1],加氢工艺是精细化工生产中常见的工艺，并多为间歇反应，也是首批重点监管的危险化工工艺之一，因氢气具有高燃爆危险特性(爆炸极限为4%～74.1%)，多为强烈的放热反应，一旦控制失效，可能造成灾难性的工艺安全事故。因此, 在工程设计中必须采取有效的措施, 防止火灾和爆炸事故的发生。

1 惰性化的概念及原理

我们知道，着火需要3个基本要素，即可燃物、氧气(空气或其它氧化剂)和引火源[2]，见图1。只要消除其中任何一个要素就可以避免着火。对于加氢工艺而言，氢气是固有存在的，难以消除；能够消除的是氧气和引火源。

图1 火灾三要素

引火源种类很多，控制的方法也不相同，例如我们采用动火作业许可证制度控制明火，依靠良好的静电接地和跨接消除静电。但是对于氢气而言，因为其特殊性，最小点火能(MIE)为0.02 mJ，静电接地(跨接)消除引火源的做法在很多时候并不奏效。

每种易燃气体或液体的蒸气只有在与足够的氧气混合后才能发生燃烧(爆炸是一种特殊的燃烧形式)，也就是说氧气浓度需要到达或超过该物质的最低需氧浓度(LOC)才能维持持续的燃烧。每种物质的最低需氧浓度各不相同，对于大部分的易燃气体和易燃蒸气，LOC约为9%～12%(体积百分数，下同)，见表1。易燃液体在其爆炸上限以上范围不能持续燃烧，就是因为氧气的浓度过低的缘故。

表1 常见物质的最低需氧浓度(LOC)及合格标准

操作、处理或储存可燃气体或可燃液体的设备，再投入易燃物料之前，需要将设备内的氧气用惰性气体置换出来，使氧气浓度降低到预定的安全限值(最低需氧浓度，LOC)以下，避免投料后其与可燃气体或蒸汽混合形成爆炸性气体，实现此目的的处理过程称为惰化。

某企业现有加氢工艺四个，其现行版本标准操作规程具体惰化操作详见表2，我们通过对以上四个加氢工艺的惰化操作对比发现，其操作各不相同，从技术发展的角度讲，需要探索一种更为简捷、规范且可靠的操作方法。规范我们的惰化操作，即达到安全生产要求，又能节约资源。

表2 某企业加氢工艺惰化操作情况

2 惰性化操作方式

简单的说，惰性化的方式有五种：

(1)真空惰化：容器抽真空后充入惰性气体，并如此循环。

(2)压力惰化：容器使用惰性气体加压，然后释放排空，并如此循环。

(3)吹扫惰化：容器一端吹扫惰性气体，一端释放，并吹扫一定时间。

(4)虹吸惰化：即容器内充入合适的不燃流体或填充物，然后移除同时引入惰性气体。

(5)组合惰化：以上方式两种或多种组合。

3 确认氧气目标浓度

氧气目标浓度是指惰化操作结束时，反应釜内控制的氧气浓度。毫无疑问，氧气目标浓度是最重要的技术参数，目标浓度定的高，则有可能在投入易燃性物料时，仍然会形成爆炸性混合气体，不能完全实现惰化操作的目的；而目标浓度定的太低，则惰化操作费时且造成惰性气体不必要的浪费，提高成本，所以要合理确定目标浓度。

实际工作中，我们根据NFPA69-2008附录中给出的最低需氧浓度作为参考值，按照其要求，如果工艺系统没有连续的氧气浓度监控，实际操作时的氧气浓度不应该超过LOC的60%；当LOC小于5%时，则取不超过LOC的40%；并且需要定期检查氧气的浓度。因此，氢气环境下氧气目标浓度在2%以下即可[3]。

4 确定压力惰化循环次数

我们以某加氢反应釜为例，探讨氮气压力惰化的估算。当向加氢反应釜内压缩充入惰性气体至一定压力后，釜内的惰性

气体与空气经扩散混匀后，泄放气体至大气压力，部分氧气被一同泄放出来，结果是罐内氧气总量减少，惰性气体浓度增加，相当于部分氧气被惰性气体所置换，在经过若干次的充压、泄放循环，罐内氧气浓度逐渐降低到安全目标值。

根据理想气体状态方程和道尔顿分压定律[4]，压力惰化的过程，详见图2，第n次惰化后，反应釜内氧气yn为：

式中：y0为空气中氧气的摩尔分数21%；

yn为我们的目标氧气浓度(LOC)；

常压压力PL为大气压力(近似100kPa，绝对压力)；

pH为充压压力。

图2 压力惰化过程

通过计算，循环次数与氧气的控制目标浓度和充气压力有关，具体数据详见表3。氧气目标浓度越低、充气压力越低，则循环次数越多；以氢气而言，不管充压到400、500、600kPa均需要至少循环2次；而充压到300kPa时需要循环3次，当冲压到200时需要循环4次。

表3 氧气目标浓度、充气压力与循环次数的关系

5 结论

惰性化是本质安全措施，对于间歇加氢反应，其压力惰化操作为：若目标氧含量浓度(最低需氧浓度，LOC)为2%，采用压力惰化方法，则充压至200kPa，循环四次或者充气压力至300kPa，循环三次，而实际操作充气压力，我们应根据该反应釜的设计压力决定。

[1] 郑素君.采用惰性气体对容器、管道置换的三种方法[J].深冷技术，2011(5):22-24.

图4 不同引发剂用量下单体转化率与时间关系图Fig.4 The relationship between monomer conversion and time under different initiator dosage

3 小结

(1)通过对比石油醚、异丙醇、环己烷、甲苯四种有机溶剂对聚合过程中温度、表观粘度和产物助滤效果的对比，结果表明四种溶剂中甲苯为最适宜的选择，此时，添加4wt%的甲苯，反应液最高温度为63.5℃，产物表观粘度为14.0 Pa·s。

(2)考察了不同添加量的甲苯对聚合过程中的体系表观黏度、温度和单体转化率的影响，确定了甲苯质量分数的适宜范围为2%～4%，在此条件下，反应体系的最高温度在63.5℃～66.5℃，单体转化率在80%～91%之间。

(3)研究了引发剂添加量对反应单体转化率的影响，发现引发剂用量在0.2%以上时，聚合反应在60min时即可达到80%以上的转化率。确定了引发剂适宜添加量为单体总质量的0.2%左右。

参考文献

[1] 徐 杰,费德君,武建勋,等.非离子型助滤剂的合成及在湿法磷酸生产中的应用[J].精细与专用化学品,2013(1):23-27.

[2] 江 力.链转移剂单体存在下常规自由基聚合合成支化聚苯乙烯[D].常州:常州大学高分子化学与物理,2013.

[3] 高 波.引发剂对丙烯酸类乳液聚合反应的影响[J].江苏化工,1989(2):17-18.

[4] 王冬梅,张彦昌,李天仚,等.低分子量聚丙烯酰胺的水溶液聚合[J].河南科学,2013(10):1604-1606.

[5] 赵献增,朱 靖,王冬梅,等.低粘度聚丙烯酰胺的合成研究[J].中国胶粘剂,2004(5):43-45.

[6] 曹同玉,刘 庆.聚合物乳液合成原理性能及应用[M].北京:化学工业出版社,2007:766.

[7] 曾玉彬,傅绍斌,吴仲岿.新型有机复合弱阴离子絮凝剂的研究与应用[J].大连铁道学院学报,1998(2):35-37.

(本文文献格式：王 龙 ,费德君,党亚固，等.两步法合成非离子助剂PAMA的工艺优化[J].山东化工,2017,46(13):36-39,41.)

Inert Operation and Its Application in Batch Hydrogenation Process

LiangMingjie,ZhangFeng

(Qingdao University of Science & Technology，Shandong Qingdao 266042)

This paper introduces an enterprise different nitrogen inerting batch hydrogenation process, with inert principle, methods and relevant calculation as the starting point, determine the effective operation method of hydrogenation process pressure inert, and application in enterprises.

hydrogenation reaction;inert;minimum oxygen concentration

2017-05-04

梁明杰(1987—)，男，山东淄博人，大学本科，工程师，现从事化学原料药的生产和安全管理方面的工作。

TQ031.2

B

1008-021X(2017)13-0088-02