保險(xiǎn)粉“四合一”干燥器防爆設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究

陶利民 TAO Li-min；蔣勝 JIANG Sheng

（上海敏杰制藥機(jī)械有限公司，上海 201414）

0 引言

保險(xiǎn)粉，CAS號(hào)7775-14-6，學(xué)名連二亞硫酸鈉，有二水鹽、無(wú)水鹽兩種。前者為微黃色片狀晶體，極不穩(wěn)定，僅僅存在于堿性溶液中，加熱至一定溫度時(shí)便脫水轉(zhuǎn)化成無(wú)水鹽。無(wú)水鹽的分子式Na2S2O4，是一種流動(dòng)性很好的白色粉末狀結(jié)晶。

保險(xiǎn)粉為一種強(qiáng)還原劑，遇酸、空氣、受熱、受潮時(shí)分解，并發(fā)出大量的熱量，同時(shí)產(chǎn)生大量有毒的二氧化硫氣體。因此，保險(xiǎn)粉的分解反應(yīng)是一種自我催化反應(yīng)，它在分解時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，而熱量的增加又會(huì)促進(jìn)保險(xiǎn)粉的分解，從而產(chǎn)生大量的二氧化硫氣體，如果未及時(shí)控制，將會(huì)引起更嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸事故的發(fā)生。

保險(xiǎn)粉的生產(chǎn)工藝有多種，分為甲酸鈉法、鋅粉法、硼氫化鈉法等，最廣泛使用的是甲酸鈉法。在中國(guó)，全部使用甲酸鈉法生產(chǎn)保險(xiǎn)粉。保險(xiǎn)粉的生產(chǎn)工藝過(guò)程按生產(chǎn)工序可分為配料、合成、干燥、副產(chǎn)品回收、溶劑精餾、廢液處理、尾氣處理、公用工程等。國(guó)內(nèi)保險(xiǎn)粉工業(yè)化生產(chǎn)，是在合成反應(yīng)釜中，以焦亞硫酸鈉、甲酸鈉、二氧化硫?yàn)樵希诩状?水溶液中，控制反應(yīng)溫度約80-83℃，從而得到保險(xiǎn)粉懸浮液，然后再進(jìn)行過(guò)濾、洗滌、干燥后，冷卻、添加保險(xiǎn)粉穩(wěn)定劑如碳酸鈉等混合均勻后，再進(jìn)行包裝得到的。一直以來(lái)，保險(xiǎn)粉的過(guò)濾、洗滌、干燥、穩(wěn)定劑混合四個(gè)步驟都是在同一臺(tái)設(shè)備中完成，它是一臺(tái)圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)，還可實(shí)現(xiàn)真空、加熱、冷卻等多功能的設(shè)備，因此，業(yè)內(nèi)將這臺(tái)設(shè)備稱之為“四合一”（設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖1），其設(shè)備本體材質(zhì)一般采用304或316系列不銹鋼。

圖1 設(shè)備簡(jiǎn)圖

在保險(xiǎn)粉安全生產(chǎn)上，是按甲類進(jìn)行防火防爆設(shè)計(jì)及管理的，但業(yè)內(nèi)有一個(gè)共識(shí)，除需按國(guó)家有關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理外，保險(xiǎn)粉安全生產(chǎn)還有一個(gè)不確定的因素，那就是，由于保險(xiǎn)粉的自身不穩(wěn)定容易分解的屬性，在反應(yīng)及干燥階段，特別是在干燥器中，有可能會(huì)出現(xiàn)爆炸的潛在可能。在合成反應(yīng)階段，即反應(yīng)釜中，把控好反應(yīng)過(guò)程，基本上可以防止爆炸事故發(fā)生。但保險(xiǎn)粉發(fā)生爆炸最多，也最難把控的地點(diǎn)是在干燥階段，也就是說(shuō)，絕大多數(shù)的爆炸事故都發(fā)生在干燥器，也就是“四合一”的干燥過(guò)程中。

劉秀生在《合成“四合一釜”在氯離子水溶液環(huán)境中應(yīng)力腐蝕失效與防護(hù)的技術(shù)探討》一文中，對(duì)“四合一”干燥器的腐蝕，從物料性質(zhì)、加工結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、工作介質(zhì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的工況條件、腐蝕機(jī)理以及設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)等方面進(jìn)行了技術(shù)探討，并提出了建議和相應(yīng)技術(shù)、防護(hù)措施等，指出從設(shè)計(jì)、選材、介質(zhì)、降低外載應(yīng)力、結(jié)構(gòu)、工況環(huán)境、制造過(guò)程控制使用管理上進(jìn)行改進(jìn)[1]。

何波在《預(yù)防爆炸的故障樹分析法》一文中，分析了保險(xiǎn)粉“四合一”釜爆炸事故的原因，運(yùn)用故障樹分析法找出引發(fā)事故的各種因素，指出造成“四合一”爆炸的主要原因是由于人的不安全行為和設(shè)備本身的不安全因素構(gòu)成，并列舉了36種防范措施，指出只要做好任何一種防范，就會(huì)杜絕“四合一”的爆炸事故，從而得到的解決方法是從人的不安全因素和設(shè)備本身的不安全因素方面來(lái)解決，以達(dá)到有效預(yù)防爆炸的目的[2]。

沈孝文在《保險(xiǎn)粉2#“四合一”釜爆炸失效分析》一文中，對(duì)2011年8月30日某廠保險(xiǎn)粉2#“四合一”釜爆炸所發(fā)生的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為造成事故的主因是因?yàn)楣に嚳刂撇划?dāng)或操作原因引起的化學(xué)反應(yīng)爆炸，并對(duì)預(yù)防爆炸提出了建議[3]。

本文就干燥器爆炸事故發(fā)生的原因以及如何從本質(zhì)上防止干燥器爆炸事故的發(fā)生作簡(jiǎn)略的探討。

1 保險(xiǎn)粉合成及保險(xiǎn)粉分解機(jī)理

以甲酸鈉、二氧化硫、焦亞硫酸鈉為原料生產(chǎn)保險(xiǎn)粉的總反應(yīng)方程式如下：

2HCOONa+Na2S2O5+2SO2=2Na2S2O4+2CO2↑

以焦亞硫酸鈉與甲酸鈉、二氧化硫在醇水溶液中反應(yīng)，生成保險(xiǎn)粉的反應(yīng)機(jī)理有多種述說(shuō)，在本文中不過(guò)多探討。

保險(xiǎn)粉屬于易分解化學(xué)品，在0℃到35℃之間的分解反應(yīng)式如下[4]：

有氧環(huán)境中：

Na2S2O4+O2+H2O→NaHSO4+NaHSO3

缺氧環(huán)境中：

2Na2S2O4+H2O→2NaHSO3+Na2S2O3

強(qiáng)堿性介質(zhì)中：

3Na2S2O4+6NaOH→5Na2SO3+Na2S+3H2O

酸性介質(zhì)中：

H2S2O4+H2O→3SO2+S+2H2O

強(qiáng)酸性介質(zhì)中：

3H2S2O4→5SO2+H2S+2H2O

在較高溫度、缺氧條件下，保險(xiǎn)粉會(huì)發(fā)生發(fā)熱分解，生成亞硫酸鈉并放出SO2：

Na2S2O4+H2O→Na2SO3+SO2↑

在較高溫度、有氧條件下，保險(xiǎn)粉會(huì)發(fā)生發(fā)熱分解，生成硫酸鈉并放出SO2：

2Na2S2O4+2H2O+O2→2Na2SO4+2SO2↑

另外，在保險(xiǎn)粉合成反應(yīng)中，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)[5]：

2Na2S2O4→Na2S2O3+Na2S2O5

保險(xiǎn)粉分解后生成硫代硫酸鈉，而硫代硫酸鈉又是保險(xiǎn)粉分解的催化劑，因此，該反應(yīng)是一個(gè)自動(dòng)催化反應(yīng)，保險(xiǎn)粉分解越多，分解速度越快。

由以上可以看出，在保險(xiǎn)粉正常生產(chǎn)過(guò)程中，引起保險(xiǎn)粉分解的主要原因是由于水及氧氣的進(jìn)入。由于保險(xiǎn)粉是在甲醇-水溶劑中生產(chǎn)的，在反應(yīng)階段，控制較合適的醇水比（約80/20，重量百分比）、正常反應(yīng)溫度（≤84℃）下，保險(xiǎn)粉的分解是可控的。醇水比越高，保險(xiǎn)粉的分解速率越低。

保險(xiǎn)粉合成反應(yīng)完成，將漿料放入“四合一”中，在“四合一”中過(guò)濾母液后，用甲醇洗滌保險(xiǎn)粉濾餅，以置換殘留在濾餅中的母液中的醇水溶劑，然后在真空條件下，通過(guò)“四合一”盤管及夾套中的加熱介質(zhì)，以間接傳熱的方式，去除掉保險(xiǎn)粉濾餅中殘留的甲醇和極少量水。溶劑甲醇與少量的水蒸發(fā)完后，對(duì)“四合一”中的保險(xiǎn)粉進(jìn)行冷卻，完成對(duì)保險(xiǎn)粉的干燥過(guò)程，最后在“四合一”中混入保險(xiǎn)粉穩(wěn)定劑，經(jīng)包裝，得到保險(xiǎn)粉固體產(chǎn)品。

2 “四合一”發(fā)生爆炸的可能原因

根據(jù)保險(xiǎn)粉分解機(jī)理，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，“四合一”發(fā)生爆炸的主要原因有：

①用甲醇洗滌時(shí)，洗滌不到位，包括洗滌甲醇量不足、洗滌甲醇中含水量偏高、洗滌時(shí)間過(guò)短、前期合成階段保險(xiǎn)粉結(jié)晶差等，導(dǎo)致“四合一”中洗滌完成后，殘留在保險(xiǎn)粉中的水分仍然過(guò)高，當(dāng)干燥開始后，因溫度升高，保險(xiǎn)粉與水反應(yīng)導(dǎo)致保險(xiǎn)粉分解；

②在過(guò)濾過(guò)程中，用惰性氣體壓濾時(shí)的惰性氣體中含氧量偏高，導(dǎo)致保險(xiǎn)粉部分在干燥前已出現(xiàn)分解現(xiàn)象；

③在反應(yīng)階段，未控制好反應(yīng)過(guò)程，使得合成過(guò)程中硫代硫酸鈉的含量偏高，導(dǎo)致保險(xiǎn)粉在干燥前有偏高的分解反應(yīng)發(fā)生；

④“四合一”內(nèi)盤管、夾套有滲漏現(xiàn)象，在真空條件下，滲漏現(xiàn)象更嚴(yán)重，干燥開始后溫度升高，滲漏的水與保險(xiǎn)粉接觸，導(dǎo)致保險(xiǎn)粉的不斷分解；

⑤“四合一”的某些部位的密封出現(xiàn)滲漏，導(dǎo)致在干燥過(guò)程中，在真空的作用下，空氣滲入到“四合一”中，與保險(xiǎn)粉接觸，導(dǎo)致保險(xiǎn)粉氧化分解；

⑥真空度偏低，使得干燥溫度偏高，高溫導(dǎo)致保險(xiǎn)粉分解；

⑦由于國(guó)內(nèi)保險(xiǎn)粉裝置均沒有采用自動(dòng)化控制生產(chǎn)，有時(shí)在干燥完成后，操作工人未及時(shí)改用冷卻水降溫，使得“四合一”內(nèi)溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致保險(xiǎn)粉分解。

在以上任何情況下，保險(xiǎn)粉在“四合一”中的分解，均是在較高溫度下進(jìn)行的，因此，分解產(chǎn)物有SO2，而隨著分解放熱，保險(xiǎn)粉的溫度越來(lái)越高，分解會(huì)越來(lái)越劇烈，SO2的量也急劇增加，導(dǎo)致“四合一”真空度下降，并逐步變成正壓，如果沒有及時(shí)處理，將導(dǎo)致“四合一”爆炸事故的發(fā)生。

3 出現(xiàn)可能嚴(yán)重事故時(shí)的現(xiàn)有處理方法

“四合一”在干燥過(guò)程中出現(xiàn)上述不正常狀態(tài)后，一直以來(lái)，處理方式是：停止“四合一”的加熱，全開冷卻水，使其降溫，如果發(fā)現(xiàn)的早，通過(guò)降溫，可以避免保險(xiǎn)粉的分解；如果“四合一”壓力持續(xù)升高，則將“四合一”的人孔盡量轉(zhuǎn)到安全方向，如向下，避免爆炸時(shí)傷到人；緊急疏散人員。

在此之前，對(duì)“四合一”防爆所作的改進(jìn)主要有：

①在“四合一”筒體上增加一到兩個(gè)DN80/100的爆破片。

②“四合一”人孔大蓋的密封墊剪成可斷開斜口，在“四合一”釜內(nèi)壓力過(guò)大時(shí)可以沖開密封墊，促使壓力泄放。

③“四合一”筒體內(nèi)的最高工作壓力為0.25～0.3MPa，但在制作“四合一”時(shí)的設(shè)計(jì)壓力提高到0.6MPa或以上。

④加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)與管理，加強(qiáng)設(shè)備制作及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理。

以上各種改進(jìn)，雖對(duì)防止“四合一”爆炸事故的發(fā)生，有一定的預(yù)防作用，但在“四合一”生產(chǎn)異常時(shí)，依然存在無(wú)法阻止爆炸事故發(fā)生的可能。

4 “四合一”防爆設(shè)計(jì)與控制

從根本上解決“四合一”爆炸事故的方法，可根據(jù)《保險(xiǎn)粉干燥器安全防爆系統(tǒng)及其安全防爆方法》[6]《保險(xiǎn)粉干燥器安全防爆系統(tǒng)》[7]的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)一種保險(xiǎn)粉干燥器安全防爆系統(tǒng)（圖2），保證“四合一”的安全生產(chǎn)。

圖2 保險(xiǎn)粉干燥器安全防爆系統(tǒng)圖

具體設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)說(shuō)明、控制方法如下：

①在“四合一”出口真空管上，設(shè)置有在線壓力檢測(cè)儀表。在此管路上，新設(shè)計(jì)一支管，在該支管上安裝一氣動(dòng)或電動(dòng)開關(guān)閥，并與真空壓力表聯(lián)鎖，當(dāng)真空下降到一定值時(shí)，說(shuō)明“四合一”釜中的保險(xiǎn)粉已發(fā)生分解，該開關(guān)閥自動(dòng)開啟，將氣體向安全位置排放。同時(shí)，與“四合一”的冷熱水自動(dòng)閥進(jìn)行聯(lián)鎖，在此情況下，用于“四合一”加熱的熱水閥關(guān)閉，冷卻水閥打開。按生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，此種情況下通過(guò)手動(dòng)處理時(shí)，可避免事故的發(fā)生。此設(shè)計(jì)由自動(dòng)控制代替人工操作，避免了人的不可靠性，從而盡可能避免事故的發(fā)生。

②在真空出口管上再設(shè)計(jì)一支管，該支管上安裝安全閥，當(dāng)前一步所采用的措施仍然不足以阻止保險(xiǎn)粉的分解時(shí)，安全閥打開，自動(dòng)泄壓，并將氣體向安全位置排放。

③在真空出口管上再設(shè)計(jì)一支管，該支管上安裝爆破片，當(dāng)前兩步措施仍不足以消除保險(xiǎn)粉分解所引起的系統(tǒng)壓力，爆破片爆破，通過(guò)該支管繼續(xù)泄壓。

④在真空軸上設(shè)計(jì)一爆破片口，在“四合一”壓力超過(guò)一定壓力但小于“四合一”的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，該爆破片爆破，系統(tǒng)壓力向氣相管道泄放。

⑤在真空出口管上設(shè)計(jì)一除塵緩沖罐，便于收集氣相管道中所積聚的保險(xiǎn)粉粉塵。

通過(guò)以上多級(jí)措施，在“四合一”出現(xiàn)保險(xiǎn)粉分解，導(dǎo)致壓力升高時(shí)，將壓力通過(guò)安全系統(tǒng)泄放，從而實(shí)現(xiàn)“四合一”生產(chǎn)的本質(zhì)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)保險(xiǎn)粉保險(xiǎn)粉“四合一”干燥器的安全技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)與控制，從本質(zhì)上解決了“四合一”出現(xiàn)生產(chǎn)異常時(shí)可能產(chǎn)生的安全隱患，可最大限度地避免安全爆炸事故的發(fā)生。