空分知识 | 空分化学性爆炸机理及防爆措施
空分设备是石化、冶金等行业重要的生产装置之一，由于其特殊的结构和介质的理化性质，发生爆炸的危险性较大。近年来，因空分设备制造缺陷和管理不善等原因，已发生多起空分设备的爆炸事故，据不完全统计，全国共发生小型空分设备的爆炸事故100多起，大中型空分设备事故30多起，特别是空分主冷凝蒸发器中烃类物质超标引起的爆炸是近几年来事故频发的主要原因，不仅影响了生产装置的平稳运行，而且给企业和国家造成重大的经济损失。以下从我们装置的实际运行经验出发，浅谈空分装置主冷蒸发器发生爆炸的机理和防爆措施。
1、空分化学性爆炸机理
1．1主冷凝蒸发器爆炸机理
空分塔的爆炸原因很多，也比较复杂，但基本可分为物理性爆炸和化学性爆炸。从大多数爆炸的实例分析来看，化学性爆炸是主要的。形成化学性爆炸的主要因素有三个方面：一是可燃物，二是助燃物，三是引爆源。在空分设备主冷凝蒸发器中，可燃物主要是乙炔、碳氢化合物或油分等爆炸危险杂质；助燃物为气氧、液氧；引爆源主要有：
(1)爆炸性杂质固体微粒相互摩擦或与器壁摩擦；
(2)静电放电。当液氧中含有少量冰粒、固体二氧化碳时，会产生静电荷，如果二氧化碳的含量提高到200~300×10-4％，所产生的静电位可达到3000V；
(3)气波冲击、流体冲击或汽蚀现象引起的压力脉冲，造成局部压力高而使温度升高；
(4)化学活性特别强的物质(臭氧、氮的氧化物等)存在，使液氧中可燃物质混合物的爆炸敏感性增大。
1．2爆炸源形成条件
空气中除氧气、氮气外，还会有少量的水蒸气、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物等气体以及少量的灰尘等固体物质，国内大中型分子筛净化流程清除空气中水分、二氧化碳和乙炔等杂质的方法多采用吸附法，即利用分子筛或硅胶等作吸附剂把空气(液空、液氧)中所含的水分、二氧化碳和乙炔等杂质分离出来，浓缩在吸附剂表面上，加温再生时进行脱除，从而达到净化的目的。
但由于化工装置比较集中，如果装置泄漏量过高或烃类产品直接放空，就会造成空分设备吸人口的碳氢化合物含量超标，对分子筛流程空分装置，13X分子筛具有孔径相近的极性分子吸附性强的特点，水分、二氧化碳和乙炔基本上可以在分子筛吸附器中脱除，其它烃如甲烷、乙烷绝大部分随空气进入空分塔中，这些物质大部分溶解在液体中，少量随氧气的蒸发带走。当液体中烃的浓度不断增加，并超过其溶解度时，就会以固体形式析出并聚集，在一定条件下与氧混合形成爆炸源，当引爆因素存在时就会发生化学性爆炸。
大量事实证明，液氧中乙炔的爆炸敏感性最高。因为乙炔在空气中的分压很低，即使将空气冷却至-173℃，乙炔也不会以固态形式析出，它将随空气带人空分塔内，而乙炔在液空中的溶解度较大，约为20cm3／dm3。因此一般不会在液空中析出，而随液空进入上塔，乙炔在液氧中的溶解度极低，约为5．2cm3／dm3。当液氧在主冷凝蒸发器中蒸发时，随气氧带的乙炔量仅为液氧中乙炔总量的1／24左右，这样随着液氧的蒸发，液氧中乙炔浓度就不断增高，当乙炔超其溶解度时，过剩的乙炔就会以白色固体微粒悬浮在液氧中，而乙炔又是不饱和的碳氢化合物，具有很高的化学活泼性，性质极不稳定，这些固体乙炔或其它碳氢化合物颗粒与塔壁及通道壁发生摩擦或液氧沸腾产生压力脉冲，以及臭氧与氮氧化物的促进作用所产生的能量都将可能使空分塔致爆。但在实际生产中有时液氧中乙炔及其它碳氢化合物并不超标而发生爆炸，这主要是由于冷凝蒸发器的结构不合理，存在某些制造缺陷若因某些通道堵塞和操作不当，造成液氧的局部流动性不好，产生乙炔局部浓缩而发生爆炸。
其它不饱和碳氢化合物也能发生爆炸分解反应，虽然它们在液氧中的溶解度比乙炔高，但由于吸附器对这些碳氢化合物的吸附能力极小，因此也有在液氧中积聚而构成爆炸的可能。大量研究表明，碳氢化合物由于各组分在液氧中的溶解度及化学活性不同，其爆炸敏感性也不同，爆炸敏感性按以下顺序递增：甲烷→乙烷→丁烷→乙烯→丙烯→丁烯→乙炔，可见乙炔的敏感性最高。
2、空分防爆措施
由于空分装置在运行过程中存在着诸多不安全因素和危险性，为确保空分装置的安全运行，降低烃类物质进入液氧中的可能性，加强监控手段，我们坚持实行“六关”管理。
2．1抓住空气来源关
空分装置的原料就是大气，大气质量的好坏直接关系着主冷液氧中烃类的变化。我厂空分装置所处地理位置不好，被三个化工装置包围，空气质量较差，尤其是刮北风时能明显闻到一股有机物气味，通过液氧的离线、在线分析也可以发现烃类物质的上升趋势。为此我们采取的措施是：
(1)建立了大气质量监测，每周分析一次；
(2)设立了风向标，随时掌握四季风向的变化，遇到刮北风时，我们加强监护，及时排放液氧；
(3)由总厂调度室制定了《周边装置紧急排放联系制度》，如有其它装置不正常排放，及时通知调度，调度再通知车间，加强液氧分析监护；
(4)对相邻的环氧装置富含烃类物质的循环气排放口进行移位，由原来的100米移到165米处。
2．2把住空气压缩关
从空分装置的流程来看，进入分馏塔系统的空气来源于空压机系统，在此过程中就不可避免的存在润滑脂，这些油脂是非常危险的，因为液氧中的油脂能附着在主冷的翅片上形成油膜，当油膜达一定厚度时，它将与不饱和烃、氮氧化物和氧气的混合物在低温下起化学反应生成灵敏度较大的可燃物，这些可燃物一旦遇火源就会发生爆炸。另外空气中的灰尘等杂质被带人分馏塔中也是危险的，一是它可以在板式换热器中堵塞；二是进入分馏塔中的固体悬浮在液氧液面上，摩擦产生静电打火，这就形成了引火源。为了避免这些物质的进入，我们采取以下措施：
(1)在空气吸人口增加了卷帘过滤器和干袋式过滤器，滤掉杂质和灰尘，确保空气干净；
(2)空压机轴封采用石墨环密封无油润滑，确保空压机出口空气不带油；
(3)空压机设置了自保联锁和在线振动监测系统，可以随时记录第一触发联锁点，确保空压机的正常运行，防止因频繁开停机而将油脂或杂质带人系统。
2．3加强空气净化关
压缩后送来的无油、干净的空气中含有大量水、乙炔、甲烷、二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烯、碳四等物质，这些物质在净化过程中要尽量脱除：水分和二氧化碳带人冷箱就会造成冻堵；不饱和烃在分子筛中能大部分被吸附，饱和烃不易被吸附就会带人分馏塔内，为了使这些物质降低到最低程序，我们采取了如下措施：
(1)水洗塔设置了高、低液位联锁，防止在除沫器损坏或空压机异常的情况下，水洗塔的液位失控而使空气中带水；
(2)由于在水洗塔中循环直接与空气接触，它不但降低了压缩空气的温度，而且通过洗涤可清除掉空气中的酸性物质，这样若循环水中存在油类或烃类物质，则会将这些物质带人系统，为此我们对循环水质每8小时分析一次，确保外界杂质无法进入系统。同时为了防止在总厂的循环水场出现问题时影响空分装置的正常运行，我们又增设了独立的循环水场，专供水洗塔使用。
(3)增设了一台制冷机组，确保空气出塔温度由原来的25℃下降到12℃以下，这样使空气中含水量大大下降，有效地提高了分子筛对烃类和二氧化碳的吸附能力，出分子筛的空气中二氧化碳含量基本趋向于零。
(4)根据我们所处环境的实际情况，对分子筛吸附器内13X分子筛和氧化铝的装填量进行调整，在确保露点≤-70℃的情况下，适当减少氧化铝量，这样通过增加分子筛装填量提高了对烃类及二氧化碳的吸附能力，最大限度地减少烃类及二氧化碳带人分馏塔中；
(5)分子筛出口设置了二氧化碳在线检测仪，随时检测空气中二氧化碳的变化情况，防止因二氧化碳超标引起设备冻堵。离线通过对出分子筛的空气露点分析，确保水含量不超标。
2．4强化深冷分离关
空分装置的最危险点是分馏塔部分，由于分子筛对饱和烃基本不吸附，这样烃类物质就会带人馏塔中，对安全生产造成极大的威胁，为了确保主冷的安全运行，我们采取了以下措施：
(1)主冷凝蒸发器结构设计为防爆型，特殊结构防止烃类析出堆积在翅片的某些部位上，使局部烃类超高。目前，各国通过对主冷爆炸的研究，一致认为由于空分主冷凝蒸发器中液氧的不断沸腾、蒸发，使可燃物在此浓缩积聚，且摩擦冲击最强烈，所以容易在主冷中形成爆炸中心，通过采用新型防爆结构，可最大限度地降低其爆炸的可能；
(2)主冷板式单元采用全浸式操作，防止烃类析出发生危险；
(3)增设了1％液氧连续排放，使主冷液氧始终保持部分更新，防止烃类积聚增浓；
(4)增大液氧吸附器的能力，增加其脱炔和脱极性有机物的能力，并定期按规程进行再生；
(5)设立了在线分析仪，分别对主冷液氧中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙烷、碳四和总烃八个组分进行检测，各检测数据每9分钟循环一次，可随时监测液氧中烃类的变化；另外离线有直接法和浓缩法两种形式的色谱分析，做到每8小时分析一次。通过在线法、离线直接法、离线浓缩法三种分析方法对比，更准确地掌握液氧中的烃类动态，确保装置安全运行。
2．5 树立产品贮存、输送安全关
空分装置不但生产过程中存在不安全因素，其气、液产品的贮存、输送也尤为重要，因为氧气与可燃气体能形成爆炸危险的爆鸣性气体，一旦达到了引燃引爆所需的能量，就会发生激烈的、威力巨大的爆炸。当压力高于29．4×105h的氧气直接与油脂接触时，就会发生激烈的氧化反应，并放出大量的热，由于化学反应速度极快，因而很快就能达到油脂的燃点而使油脂迅速燃烧，如果燃烧发生在管道、容器中，其温度会急剧升高，压力可增加10倍，势必造成爆炸。而氮气浓度高时易使人窒息，也是十分危险的。化工企业中氧气、氮气又直接与下游装置的烃类物质接触，一旦失控则有可能造成反窜，其后果也是十分危险的，去年年底宁夏某化肥厂的空分爆炸事故在这方面也为我们敲响了警钟。
为此我们采取了以下措施：
(1)对活塞式氧压机的密封及刮油系统定期进行检验，确保无油、无泄漏；
(2)氧气用户增设了停车严密联锁系统，通过三个快速切断阀防止因氧压机停车而造成烃类气体的反窜；
(3)氮气送出管线上设有单向阀和联锁快速切断阀；
(4)对液氧贮槽中的烃类物质坚持每天分析一次，发现超标现象及时进行排放；
(5)高压氧气送出阀增设小旁路，避免因压差过大使流速过快而发生危险。
2．6深化人员培训关
随着空分安全技术的不断完善，管理问题显得极为重要，只有全面提高操作人员的素质，不断完善各种管理制度，才能适应装置变化的需求。为此我们采取了以下措施：
(1)随着装置运行条件的变化定期修改《操作规程》，使操作有章可循；
(2)组织编写了空分装置技术培训大纲，定期对人员进行培训；
(3)操作人员不但要通过装置的上岗考核，还必须通过当地劳动部门签订的特殊工种合格证方能上岗操作；
(4)坚持每周一次的事故演练，使操作人员对空分装置存在的各种危险因素牢记在心。
综上所述，空分装置特别是主冷凝蒸发器防爆是装置安全生产的头等大事，我们要给予高度重视。针对空分装置主冷凝蒸发器防爆，我们首先要求采取技术措施，控制好液氧中碳氢化合物含量，确保各项指标在所要求的控制范围内；其次是加强对引爆源的控制和增加监测措施，同时加强管理，堵塞漏洞，这样基本上可消除空分爆炸事故的发生。