空分设备爆炸的原理及防范措施

空分设备爆炸的原理及防范措施This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020空分设备爆炸的原理及防范措施在科技飞速发展的今天。

空气分离依然是石油、化工、冶金等行业的重要生产装置之一，随着我国工业化水平越来越高，对空分设备的要求也越来越高，由于其特殊的结构和介质的理化性质，空分设备发生爆炸的危险性较大。

近年来，因空分设备的制造缺陷、操作和管理不善等原因，空分设备爆炸事故频发，特别是空分主冷凝蒸发器中烃类物质超标引起的爆炸非常多，这不仅影响了生产装置的平稳运行，而且给企业和国家、职工造成重大的损失。

因此提高设备运行的安全性和稳定性，提高产品的产量和纯度已经成为赢得市场的必要条件。

以下从我们装置的实际运行经验和义马当地的实际气候和环境出发，探讨一下预防空分装置爆炸的措施。

首先我们从空分装置的流程开始，我们厂采用的是开封空分厂的高低压结合的流程，20800Nm3／h氧气空分装置包括压缩、冷却、吸附、精馏等主要流程，在这几个环节中吸附是关键，精馏塔的主冷凝蒸发器的操作也很重要。

1 主冷凝蒸发器爆炸的原因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。

形成化学性爆炸的必要条件是：可燃物、助燃物和引爆源。

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高烃类杂质；助燃物为气氧和液氧；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发热；(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。

有关数据显示：二氧化碳的含量提高到200300ppm时，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。

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。

对分子筛流程空分装置，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。

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入口的碳氢化合物含量超标；而且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，即使将空气冷却至一173℃，乙炔也不会以固态形式析出；而且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，它将随空气带入空分塔内。

乙炔随液空进入上塔，而其在液氧中的溶解度极低，约为 cm3／dm3。

当液氧在主冷凝蒸发器中蒸发时，随气氧带走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，加之乙炔又是不饱和的碳氢化合物，具有很高的化学活泼性，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致空分塔爆炸。

但在实际生产中有时液氧中乙炔及其它碳氢化合物没有超标却发生爆炸，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，因此也存在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：甲烷一乙烷一丁烷一乙烯一丙烯一丁烯一乙炔，可见乙炔的敏感性最高。

3 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，需加强监控手段如下：3．1 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。

(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，如果主冷的总碳氢的含量超标就及时安操作规程的要求排放；3．2 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，这些润滑油脂是非常危险的。

因为液氧中的油脂能附着在主冷的翅片上，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)我们将空气吸人口的过滤器改装成为自洁式过滤器，能最大限度的改善空压机入口的空气质量；(2)空压机轴封采用空气迷宫密封无油润滑，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，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。

3．3 加强空气净化压缩后送来的无油、干净的空气中含有大量水、乙炔、甲烷、二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烯等物质，这些物质在净化过程中要尽量脱除，若水分和二氧化碳带入冷箱就会造成冻堵；不饱和烃在分子筛中能大部分被吸附，而饱和烃不易被吸附就会带入分馏塔内，引起严重后果。

为了使这些物质的含量降低到最低程度，我们采取了：(1)空冷塔设置了高、低液位联锁，防止在除沫器损坏或空压机异常的情况下，空冷塔的液位失控而使空气中带水；这在我厂空分装置的试车时也有分子筛带水而引起不良后果的惨痛教训；(2)根据我们所处环境的实际情况，对分子筛吸附器内分子筛填量进行调整，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入分馏塔中；(3)夏季环境温度高，分子筛吸附器在高负荷运行的前提下调节空间不大，对分子筛出口的二氧化碳在线检测仪加强监控，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。

3．4 强化深冷分离空分装置的最危险、也是最关键的是分馏塔部分，由于分子筛对饱和烃基本不吸附，这样烃类物质就会带入馏塔中，对安全生产造成极大威胁。

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，和间断式不定量的排放，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。

3．5 树立产品贮存、输送安全空分装置不但生产过程中存在不安全因素，其气、液产品的贮存和输送也尤为重要，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。

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，这在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；这在2000年烧毁氮压机的事故中我们的认识是深刻的。

(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。

3．6 深化人员培训随着空分安全技术的不断完善，自动化程度也在不断地提高，因而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：(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)坚持不定期的事故演练，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，尽可能降低空分爆炸事故发生几率。