服务案例

公司与浙江工业大学合作，开发“一氧化碳加氢反应实验事故应急处置”虚拟仿真实验课程。

实验目的

CO加氢反应是国家正在大力发展的战略行业——煤化工领域的基础反应。煤化工包括煤制乙二醇、煤制烯烃和煤间接液化制油等。它们都是先通过煤气化工艺将煤转化成合成气（由CO和H₂组成的混合气体），再采用不同的催化剂将合成气转化成所需要的产物，例如选择铁或钴基费托合成催化剂，可以实现煤间接液化制油。其重要意义在于我国煤炭资源贮量远高于原油，发展煤化工行业可以保证我国能源、基础化工原料等的战略安全。

CO加氢反应具备众多化学实验事故的代表性因素。CO加氢反应从设备构成来说，管阀件种类多、数量多、接头多；从使用的气体来说，CO和H₂都是易燃、易爆，且CO是无色无味的有毒性气体，具有悄无声息的窒息危险；从反应性质来看，要求在高压下进行并放出大量反应热。因此，CO加氢反应具有设备复杂、易燃易爆、有毒有害和高温高压的特征，实验安全隐患类型复杂，若操作不当，反应过程易诱发多种实验安全事故，是典型的化工行业的化学反应，可从中挖掘丰富的安全事故应急处置素材，以开展针对性、实用性的训练，提升识别各类危险源、及时排查安全隐患并妥善处置安全事故的能力，培养出高素质的化学化工人才。

实验原理

以CO加氢反应为核心的技术路线

CO催化加氢制油反应的方程式为：

nCO + 2nH₂ ® (CH₂)_n + nH₂O

当 (CH₂)_n 烃分子中的 n ³ 5 时，该分子在室温时可能以液态、固态存在，分别被称作：油、蜡。CO催化加氢制油反应的目标产物即为获得所含碳原子数 ³ 5的烃分子，它是利用催化剂的反应选择性来实现的。

上图描述了以CO加氢反应为核心的多种煤化工生产路线。

催化剂反应性能评价装置示意图

上图展示了CO加氢反应实验装置的基本结构，从设备构成来说，管阀件种类多、数量多、接头多；从使用的气体来说，CO和H₂都是易燃、易爆，且CO是无色无味的有毒性气体，具有悄无声息的窒息危险；从反应性质来看，要求在高压下进行、放出大量反应热。上述方面具有较多的安全隐患和高危险性，一旦发生事故，若处置不当，具有很强的破坏性。

“爆炸”是考虑到CO催化加氢制油反应使用的原料是CO和H₂，它们在空气中的爆炸范围分别是12.5% - 74%和4.1% - 74%，爆炸下限较低、浓度范围很宽，这就要求消除装置上的气体泄露点而设置的，具体操作步聚包括：

(1) 在连接每个接头时，先用手拧紧螺丝，然后再用扳手加固，切忌直接用扳手拧螺丝，造成螺纹损坏。

(2) 做好每个接头的密封性检查，利用设备上各类阀件的截流功能，采取从气体流动的上游至下游逐段升压、逐段检漏的方法，快速确定装置的密封性。

(3) 在装置开始和稳定运行过程中，由于装置的不同部件所处的环境温度不同，相差可以达到200~400℃，不同部件的热膨胀程度不同，可能形成新的气体泄露点，所以在装置运行过程中，要保持经常性的巡检。

(4) 在装置开工前，里面是充满着空气的，直接通入CO和H₂，也会在装置内部形成爆炸可能，因此，每次开工前，先用惰性气体N₂对装置进行冲洗，排空助燃性气体O₂。

(5) 在对装置进行检修时，也必须用惰性气体N₂对装置进行冲洗，排空里面的可燃性气体。

“中毒”是考虑到CO气体对操作人员有窒息作用提出的：

(1) 如果装置存在局部微漏，不至于引起爆炸等显性危害，但对此处的操作人员有长期毒害作用，可以通过佩带贴身的可燃气体检漏仪、或手持式可燃气体检漏仪来及时报警，查找漏点，做到及时封堵。

(2) 发现泄漏点后，及时停止反应，泄压后才能开展对症消除泄漏点的操作，不可带压操作。

(3) 安装远程在线可燃气体检测仪，对装置进行实时监控。

“灼伤”对应的场景是：CO催化加氢反应是强放热反应，反应器中设有移除反应热装置，冷却水从一端流入、吸收反应热，再以蒸汽形态从另一端流出。由于低温费托合成反应的温度一般介于 200 - 250℃，高温费托合成反应的温度一般介于320 - 350℃，产生的蒸汽压强可以高达数百个大气压。所以，在实验开始前，要加强对管阀件整体的强度检查、以防产生裂纹、喷出高温蒸汽灼伤操作人员。

“催化剂自燃”主要针对CO催化加氢反应所用的催化剂，在反应过程中，受到CO和H₂的还原作用，通常是以金属态或金属碳化物存在的，这两种物质形态都是极易与空气中氧反应、产生自燃现象，所以，在实验结束后、将催化剂从反应器中取出时，要遵照如下的操作程序：

(1) 要将催化剂堆放场地中的可燃物提前运走，避免燃烧现象扩大化。

(2) 强制操作人员佩戴防烧面具和工装，保障人身安全。

(3) 在实验结束后，先用1% O₂/N₂ 混合气对催化剂进行钝化处理，再进行拆卸。

(4) 对取出的催化剂进行彻底的氧化处理，使其失去自燃功能。

实验内容

（一）装填反应管

称取样品的过程和结果

反应管装填过程

（二）装反应管，检查密封性

安装反应管和冷阱

氮气泄露处置

（三）还原催化剂

启动升温程序

催化剂飞温处置

（四）反应活性评价

CO中毒急救

反应活性评价

（五）停止反应

关闭气体钢瓶阀门

通入标准气，钝化催化剂

（六）拆除、清洗反应管

拔掉热电偶

取出催化剂前，需排除实验室可燃物