毕业设计林倩玉.docx
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毕业设计林倩玉
南京工业大学
毕业设计
课程名称：
高纯度氢气生产工艺的安全设计
院（系）：
浦江学院
专业：
安全工程
姓名：
林倩玉
学号：
浦安全100501
起讫日期：
2013.12～2014.6
指导老师：
陈发明
浦江学院
二〇一二年六月
高纯度氢气生产工艺的安全设计
摘要
氢气在工业上是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用；同时，氢也是一种理想的二次能源；在一般情况下，氢极易与氧结合，这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。
由于工业生产中对氢气纯度的要求,本次研究通过分析总结提纯高纯度氢气的传统和现代生产工艺,在综合国内外高纯度氢气生产现状的基础上，选择变压吸附工艺生产提纯氢气。
变压吸附（PSA）的工艺是利用吸附剂对于不同介质分子的吸附能力的不同来去除氢气中的杂质，再依靠压力的变化来实现吸附剂的吸附与再生，以此得到高纯度产品氢气。
本研究通过分析变压吸附工艺过程中存在的危险有害介质的MSDS，针对升压吸附，降压解析工段进行预先危险性分析。
并根据介质存在的形态等因素，提出针对性的防范措施。
通过辨识工艺中存在的危险有害因素，对变压吸附生产工艺进行PHA分析和FMEA故障类型及影响分析，对氢气提纯生产工艺进行安全设计，提出相应的安全技术措施，预防火灾爆炸，防止人员伤害和财产损失。
关键词：
氢气变压吸附爆炸
TheSafetydesignofhighpurityhydrogenproductionprocess
Abstract
Hydrogenisthemainrawmaterialandthemostimportantandspecialgasinindustry.Hydrogeniswidelyusedinpetroleumchemicalindustry,electronicindustry,metallurgicalindustry,foodprocessing,floatglass,fineorganicsynthesis,aerospaceandotheraspects;atthesametime,hydrogenisanidealenergytwotimes;ingeneralcase,hydrogeniseasytocombinewithoxygen,thischaracteristicmakesitanaturalreducingagentusedtopreventoxidationofproduction.
Duetoindustrialproductionofhydrogenpurityrequirements,thisstudybasedontheanalysissummaryofhighpurityhydrogenforthepurificationofthetraditionalandthemodernproductionprocess,thecomprehensivestatusofhighpurityhydrogenproductionathomeandabroadonthebasisoftheselectionpressureswingadsorptionprocesspurifiedhydrogen.Pressureswingadsorption（PSA）technologyistheuseofadsorbentadsorptionabilityofdifferentfordifferentmediumtoremovetheimpuritiesinthehydrogen,torelyonthepressuretoachievechangeintheadsorbentadsorptionandregeneration,inordertogethighpurityhydrogenproduct.ThisstudythroughtheanalysisofpressureswingadsorptionprocessisdangerousandharmfulmediumintheprocessofMSDS,forboosteradsorption,step-downparsingsectionforriskanalysisinadvance.Factorssuchastheformandaccordingtothemedium,thepaperputsforwardcorrespondingpreventivemeasures.Throughthedangerousandharmfulfactorsexistingintheidentificationprocess,ananalysisofthePHAproductionprocesspressureswingadsorption（PSA）andfaulttypeandimpactanalysis,FMEAforhydrogenpurificationprocesssafetydesign,putforwardthecorrespondingsafetytechnicalmeasures,preventfireexplosion,preventinjuriesandpropertylosses.
KeywordsHydrogenPressureswingadsorptionExplosion
第1章绪论
氢气，是目前世界上已知的气体中密度最小的气体。
它的密度只有空气的十四分之一，可用作气球的充装气体。
氢气在工业上是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用；同时，氢也是一种理想的二次能源；在一般情况下，氢极易与氧结合，这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。
在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中，在氮气保护气中加入氢以去除残余的氧。
在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。
氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。
由于氢的高燃料性，航天工业使用液氢作为燃料。
用作合成氨、合成甲醇、合成盐酸的原料，冶金用还原剂，石油炼制中加氢脱硫剂等。
高纯度氢气的运用途径：
（1）电子工业是高纯氢产品的大用户。
在电真空材料如钨、钼生产过程中，用高纯氢还原氧化物成粉末，再加工成线材或带材。
在半导体行业，大规模和超大规模集成电路制造过程中，需要使用大量的高纯氢甚至超高纯氢作为配制混合气的底气。
在制备电子管的阳极、阴极、栅极等器件时，必须用纯氢进行专门的烧氢处理。
在光纤预制棒、光缆和光电元器件的制造过程中，均需氢氧焰加热（1200—1500℃），其对氢气的纯度和洁净度的要求都很高。
（2）在精细化工和医药中间体产品制造中，高纯氢是基本原料之一。
氢气的纯度对产品质量和能耗影响很大。
而在各种使用催化剂的加氢工业中，氢气中杂质含量的高低决定昂贵的催化剂寿命和产品收率，因而决定产品的成本。
（3）在冶金工业中，氢气用作还原剂将金属氧化物还原成纯金属，如制备钨、钛、钴、锇、钽、铝、铜、镍、铬、锗、硅等高品质产品时需使用高纯氢。
在某些金属的高温加工中必须使用氢气作为保护气，如在冷轧硅钢片生产和铜制品退火中需使用高纯氢。
（4）高纯氢在食品加工、建材浮法玻璃制造、空间技术、色谱分析和科研等许多领域都有广泛的用途。
传统工业上主要采用深冷分离法、膜分离法和吸附分离法从粗氢气中提纯氢气。
深冷分离法是传统的气体分离提纯方法，由于涉及复杂的预净化系统及安全方面的考虑，同时能耗很高，除特殊情况下已较少采用。
膜分离法是最近十多年发展较快的新型气体分离技术，国内在氢膜和氮膜分离技术方面有一定成果，其它领域尚处于研究开发阶段，在国外工业化气体膜分离装置较多，该工艺通常需要较高的分离压差，其产品氢气纯度在95％以下。
但对高性能膜材料、制膜工艺、膜分离工程技术和膜分离机理等问题还需进一步研究。
从目前国内采用膜分离制氢工艺的运行情况看，氢回收率较低，仅在50％－70%之间，氢浓度也较低，通常只有90%左右。
吸附分离是一门古老的学科。
早在数千年前，人门就开始利用木炭、酸性白土、硅藻土等物质所具有的强吸附能力进行防潮、脱臭和脱色。
但由于这些吸附剂的吸附能力较低、选择性较差，因而难于大规模用于现代工业。
吸附是指当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。
具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）被称为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）称为吸附质。
吸附按其性质的不同可分为四大类，即：
化学吸着、活性吸附、毛细管凝缩、物理吸附。
化学吸附是指吸附剂与吸附质间发生有化学反应，并在吸附剂表面生成化合物的吸附过程。
其吸附过程一般进行的很慢，且解吸过程非常困难。
活性吸附是指吸附剂与吸附质间生成有表面络合物的吸附过程。
其解吸过程一般也较困难。
毛细管凝缩是指固体吸附剂在吸附蒸气时，在吸附剂孔隙内发生的凝结现象。
一般需加热才能完全再生。
物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力）进行的吸附。
其特点是：
吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。
在实际工业应用中，吸附分离一般分为变压吸附和变温吸附两大类。
从吸附剂的吸附等温线可以看出，吸附剂在高压下对杂质的吸附容量大，低压下吸附容量小。
同时从吸附剂的吸附等压线我们也可以看到，在同一压力下吸附剂在低温下吸附容量大，高温下吸附容量小。
利用吸附剂的前一性质进行的吸附分离称为变压吸附（PSA），利用吸附剂的后一性质进行的吸附分离就称为变温吸附（TSA）。
变温吸附工艺由于需要升温，因而循环周期长、投资较大，但再生彻底，通常用于微量杂质或难解吸杂质的净化；变压吸附工艺的循环周期短，吸附剂利用率高，吸附剂用量相对较少，不需要外加换热设备，被广泛用于大气量多组分气体的分离与纯化。
在实际工业应用中一般依据气源的组成、压力及产品要求的不同来选择TSA、PSA或TSA+PSA工艺。
变压吸附（PressureSwingAdsorption）气体分离与提纯是六十年代以后发展起来的常温气体分离技术，成为大型化工工业的一种生产工艺和独立的单元操作过程。
采用变压吸附技术从含氢工业废气中回收高纯度氢。
由于变压吸附技术在富氢气体提浓领域有着产品氢纯度高、氢回收率高、操作压力低、操作压力降小、原料气不需预处理等特点，在石油化工行业已得到广泛的应用。
这一方面是由于随着世界能源的短缺，各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用，以及各国对环境污染的治理要求也越来越高，使得吸附分离技术在钢铁工业、气体工业、电子工业、石油和化工工业中日益受到重视；另一方面，六十年代以来，吸附剂也有了重大发展，如性能优良的分子筛吸附剂的研制成功，活性炭、活性氧化铝和硅胶吸附剂性能的不断改进，以及ZSM特种吸附剂和活性炭纤维的发明，都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础。
由于变压吸附（PSA）气体分离技术是依靠压力的变化来实现吸附与再生的，因而再生速度快、能耗低，属节能型气体分离技术。
并且，该工艺过程简单、操作稳定、对于含多种杂质的混合气可将杂质一次脱除得到高纯度产品。
因而近三十年来发展非常迅速，已广泛应用于含氢气体中氢气的提纯，混合气体中一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮气、氩气和烃类的制取、各种气体的无热干燥等。
而其中变压吸附制取纯氢技术的发展尤其令人瞩目。
1.2国外高纯度氢气生产现状
自一九六二年美国联合碳化物公司（UCC）第一套工业PSA制氢装置投产以来，UCC公司、HaldorTopsoe公司、Linder公司等已先后向各国提供了近千套变压吸附制氢装置，装置的处理能力最大已达100000Nm3/h以上。
与国外相比，国内的变压吸附技术起步较晚，特别是在PSA装置大型化技术方面较为落后，以至在七、八十年代，我国的大型变压吸附装置完全依赖进口。
为改变这种状况，我们进行了坚持不懈的努力，终于成功地完成了变压吸附计算机集成液压操纵技术和高性能三偏心金属密封程控蝶阀的开发工作，并合作研制成功了比国外制氢分子筛吸附容量更大、强度更高的新型5A制氢分子筛。
实现了大型变压吸附装置国产化关键技术的突破。
自九十年代中期，成都华西化工科技股份有限公司通过招标承包设计、建设了我国最大的PSA制氢装置“茂名石化公司1x105Nm3/h炼厂氢PSA制氢装置”以后，国内技术在中国PSA制氢领域已基本完全替代了国外技术，并首次实现了大型变压吸附制氢装置的出口，承包设计、建设了“苏丹喀土穆炼油厂11000Nm3/h催化干气PSA制氢装置”。
这标志着我国的PSA制氢技术已达到世界先进水平。
1.4工艺的主要设备选型设计
表1-1主要设备选型
名称
规格型号
数量
原料气冷却器
￠400*3000*6
1
原料气分液罐
￠800*2900*8
1
压缩机
DW-16.6/1.6-16.2
2
吸附器
DN1400*4200*12
6
半产品气缓冲罐
DN1600*6800*12
1
解吸气缓冲罐
DN2200*7080*10
1
解吸气混合罐
DN2200*7080*10
1
干燥器
DN800*2070*10
2
预干燥器
DN600*1520*8
1
脱氧器
DN400*2050*8
1
脱氧水分离器
DN500*1880*8
1
水分离器
DN500*1880*8
1
脱氧加热器
8”*1500*sch40
1
脱氧后冷却器
￠325*2000*8
1
氢气加热器
￠273*2500*8
1
氢气冷却器
￠273*2000*8
1
真空泵
WLW-300B
3
产品氢气缓冲罐
￠500*2575*8
1
隔膜压缩机
GD180-404/13.5-220
3
解吸气压缩机
DW-14.3/0.2-2.5
2
真空泵
WLW-30B
2
第2章介质危险及控制技术
2.1变压吸附工艺原理
在物理吸附中，各种吸附剂对气体分子之所以有吸附能力是由于处于气、固相分界面上的气体分子的特殊形态。
一般来说，只处于气相中的气体分子所受的来自各方向的分子吸引力是相同的，气体分子处于自由运动状态；而当气体分子运动到气、固相分界面时（即撞击到吸附剂表面时），气体分子将同时受到固相、和气相中分子的引力，其中来自固相分子的引力更大，当气体分子的分子动能不足以克服这种分子引力时，气体分子就会被吸附在固体吸附剂的表面。
被吸附在固体吸附剂表面的气体分子又被称为吸附相，其分子密度远大于气相，一般可接近于液态的密度。
因而对于不同的气体组分，由于其分子的大小、结构、极性等性质各不相同，吸附剂对其吸附的能力和吸附容量也就各不相同。
PSA制氢装置所利用的就是吸附剂的这一特性。
由于吸附剂对混合气体中的氢组分吸附能力很弱，而对其它组分吸附能力较强，因而通过装有不同吸附剂的混合吸附床层，就可将各种杂质吸附下来，得到提纯的氢气。
在工业变压吸附（PSA）工艺中，吸附剂通常都是在常温和较高压力下，将混合气体中的易吸附组分吸附，不易吸附的组分从床层的一端流出，然后降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。
但在通常的PSA工艺中，吸附床层压力即使降至常压，被吸附的杂质也不能完全解吸，这时可采用两种方法使吸附剂完全再生：
一种是用产品气对床层进行“冲洗”以降低被吸附杂质的分压,将较难解吸的杂质置换出来，其优点是常压下即可完成，但缺点是会多损失部分产品气；另一种是利用抽真空的办法进行再生，使较难解吸的杂质在负压下强行解吸下来，这就是通常所说的真空变压吸附（VacuumPressureSwingAdsorption,缩写为VPSA或VSA）。
VPSA工艺的优点是再生效果好，产品收率高，但缺点是需要增加真空泵,装置能耗相对较高。
在实际应用过程中，究竟采用以上何种工艺，主要视原料气的组成条件、流量、产品纯度及收率要求以及工厂的资金和场地等情况而决定。
2.2变压吸附工艺流程
图2-1变压吸附工艺流程图
原料气首先经冷却器冷却，再经压缩机、经过换热器后送往变压吸附装置。
在变压吸附系统中，经历吸附工序（在常温、高压下吸附杂质，出产品。
）、减压工序（通过一次或多次的均压降压过程，将床层死空间氢气回收。
）、逆放工序（逆着吸附方向减压使吸附剂获得部分再生。
）、冲洗（或抽真空）工序（用产品氢冲洗（或通过抽真空）降低杂质分压，使吸附剂完成最终的再生。
）、升压工序（通过一次或多次的均压升压和产品气升压过程使吸附塔压力升至吸附压力，为下一次吸附作好准备。
）等步骤，采用多次均压尽可能回收有效组分。
逆放步骤排出吸附器中吸附的部分杂质组分，剩余杂质通过抽空步骤完全解吸。
从变压吸附系统得到的半产品气进入等压干燥系统进行干燥，送往界外。
解吸气经压缩机加压后送往界外。
抽空再生时，引一小股产品气经调节阀减压后对吸附塔进行冲洗，提高氢气纯度由变压吸附工序输出氢气在脱氧器中通过催化剂层，混合气中的氢和氧反应生成水，从而除去产品气中的氧气。
PSA制氢装置中的吸附主要为物理吸附。
工业PSA制氢装置所用的吸附剂都是具有较大比表面积的固体颗粒，主要有：
活性氧化铝类、活性炭类、硅胶类和分子筛类。
不同的吸附剂由于有不同的孔隙大小分布、不同的比表面积和不同的表面性质，因而对混合气体中的各组分具有不同的吸附能力和吸附容量。
在物理吸附中，各种吸附剂对气体分子之所以有吸附能力是由于处于气、固相分界面上的气体分子的特殊形态。
一般来说，只处于气相中的气体分子所受的来自各方向的分子吸引力是相同的，气体分子处于自由运动状态；而当气体分子运动到气、固相分界面时（即撞击到吸附剂表面时），气体分子将同时受到固相、和气相中分子的引力，其中来自固相分子的引力更大，当气体分子的分子动能不足以克服这种分子引力时，气体分子就会被吸附在固体吸附剂的表面。
被吸附在固体吸附剂表面的气体分子又被称为吸附相，其分子密度远大于气相，一般可接近于液态的密度。
因而对于不同的气体组分，由于其分子的大小、结构、极性等性质各不相同，吸附剂对其吸附的能力和吸附容量也就各不相同。
PSA制氢装置所利用的就是吸附剂的这一特性。
由于吸附剂对混合气体中的氢组分吸附能力很弱，而对其它组分吸附能力较强，因而通过装有不同吸附剂的混合吸附床层，就可将各种杂质吸附下来，得到提纯的氢气。
2.3介质危险性分析
PSA压吸附提纯氢气的工艺装置中存在的最大的危险有害介质是原料气和解吸气中存在的爆炸性气体和有毒气体。
表2-2氢气MSDS
名称
中文名称
氢气
英文名称
Hydrogen
理化性质
分子式
H2
分子量
2.01
外观与形状
无色无味气体
闪点
＜-50℃
熔点
-259.2℃
沸点
-252.8℃
燃烧性
易燃，自燃
温度400℃
爆炸极限
4.1～74.1（V%）
危险特性
窒息、火灾、爆炸
稳定性
稳定
禁忌物
强氧化剂、卤素
毒性
毒性分级
高浓度引起缺氧窒息，分压高时出现麻醉作用。
入侵方式
吸入
火灾与爆炸
易燃，遇到明火高温引起燃烧爆炸，燃烧产物为水。
急性中毒
较高浓度可能引起窒息，分压高时出现麻痹作用。
防护措施
泄漏处理
迅速撤离人员至上风向，并进行隔离，严格限制出入。
切断火源。
建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服。
尽可能切断泄漏源。
合理通风，加速扩散。
如有可能，将漏出气用排风机送至空旷地方或装设适当喷头烧掉。
漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。
戴防护用具进入现场，切断火源，加强通风。
现场急救
迅速将患者移至新鲜空气处，保持呼吸道通畅。
心跳呼吸停止者立即进行人工心肺复苏。
工程防护
防火防爆
严禁烟火，避免氧气混入。
切断气源，若不能立即切断气源，则不允许熄灭正在燃烧的气体。
喷淋冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。
灭火剂：
雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。
接触机会
制氢生产及加氢工艺中均有接确可能。
发生源
变压吸附的所有装置
表2-3一氧化碳MSDS
名称
中文名称
一氧化碳
英文名称
Carbonmonoxide
理化性质
分子式
CO
分子量
28
外观与形状
无色无臭气体
闪点
＜-50℃
熔点
-199.1℃
沸点
-191.4℃
燃烧性
易燃，自燃温度610℃
爆炸极限
12.5～74.2（V%）
危险特性
中毒、火灾、爆炸。
毒性
毒性分级
造成组织缺氧窒息
入侵方式
吸入
火灾与爆炸
与空气的混合气体遇明火、高热引起燃烧，燃烧（分解）产物CO、CO2。
急性中毒
轻度表现为头痛、眩晕、恶心，重者面色潮红、口唇樱红、意识模糊，严重者昏迷不醒，瞳孔缩小，大小便失禁，甚至死亡。
慢性中毒
表现为神经和心血管系统损害。
防护措施
泄漏处理
迅速撤离人员至上风向，并进行隔离，严格限制出入。
切断火源。
建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服。
尽可能切断泄漏源。
合理通风，加速扩散。
如有可能，将漏出气用排风机送至空旷地方或装设适当喷头烧掉。
漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。
戴防护用具进入现场，切断火源，加强通风。
现场急救
迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸畅通，心跳呼吸停止的立即进行心肺复苏术。
工程防护
防火防爆
严加密闭，加强通风，配置防护用具。
接触机会
生产过程中原料气及解析气
发生源
吸附塔，原料气缓冲罐，解吸气缓冲罐，输送管道等
表2-4二氧化碳MSDS
名称
中文名称
二氧化碳
英文名称
Carbondioxide
理化性质
分子式
CO2
分子量
44.01
外观与形状
无色无味气体
熔点
-56.6℃
沸点
-78℃
燃烧性
不燃
爆炸极限
无
危险特性
窒息中毒
稳定性
稳定
毒性
毒性分级
窒息性气体
入侵方式
吸入
火灾与爆炸
不燃烧
急性中毒
暴露在空气中1.5%时可引起生理变化，浓度增高时会因缺氧引起谵妄，以后进入麻醉，严重时意识丧失、大小便失禁。
10%时可出现呼吸停止及休克，甚至死亡。
接确干冰或低温气体可引起皮肤、眼睛严重低温灼伤。
防护措施
泄漏处理
发生泄漏，切断气源，迅速撤离人员至通风处，加强通风。
现场急救
迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸畅通，心跳呼吸停止的立即进行心肺复苏术。
皮肤冻伤先用温水洗浴，再涂冻伤膏。
眼睛接确用大量流动清水冲洗。
工程防护
防火防爆
良好的自然通风
接触机会
生产过程中原料气及解析气
发生源
吸
升级会员 