分析空分装置可能发生设备爆炸的原因

Mac · 发表于 2012-12-12 00:54:44

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1 爆炸部位及危害性分析
空分装置发生的设备爆炸主要有气瓶爆炸、空分塔冷凝蒸发器爆炸、氧压机爆炸以及罐体、管道爆炸等，其中以空分塔冷凝蒸发器爆炸所造成的损失最为严重。空分塔的爆炸及爆炸部位在某种程度上与空分装置所采用的流程有关。在高、中压流程和双压流程中，发生爆炸的概率相对较大，冷凝蒸发器则是发生爆炸的主要部位。冷凝蒸发器的爆炸部位，随其结构型式不同也有所不同：一般易发生在液氧面分界处，以及个别液氧流通不畅的通道；也可能发生在下部管板或上顶盖处，对辅助冷凝蒸发器，爆炸易发生在液氧接近蒸发完毕的下部。
据统计，除冷凝蒸发器外，空分塔部分可能发生爆炸的部位有：下塔液空进口下部、液空节流阀、液空进口处的精馏塔板、液空吸附器、液空排放管和阀门、液氧泵、液氮循环吸附器、辅助冷凝蒸发器后的乙炔分离器、氧蓄冷器的自动阀箱或可逆式换热器冷端的氧隔层等。不论哪一部分，只要有液氧（或富氧液体）存在，并在蒸发过程中形成可爆物的积聚或沉淀，在引爆条件下便可发生爆炸。除空分塔外，空分装置可能发生爆炸的部位还有：空压机后的高压空气管道、分子筛吸附器、氧压机和氧气瓶，特别是高压氧压机和氧气瓶，爆炸的危险性更大。
2 爆炸原因分析
2.1可爆物积聚
空分装置的原料为空气，空气中的可爆物杂质主要有：乙炔和其它碳氢化合物，如甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯等。乙炔及其它碳氢化合物局部浓缩积聚发生爆炸，有3种情况：①乙炔在无氧情况下的分解爆炸；②乙炔与氧气的燃烧爆炸；③固体乙炔析出与液氧、其它碳氢化合物固态析出与液氧形成爆炸混合物，在冲击摩擦或静电等引爆源作用下，引起爆炸。在这些可爆物杂质中，乙炔是形成爆炸最危险的物质。这是因为乙炔在液氧中的溶解度比在液空中的低。而且随着温度的下降，其溶解度也下降。析出的乙炔就会以白色固态微粒悬浮在液氧中，而乙炔是不饱和的碳氢化合物，具有很高的化学活性，性质极不稳定。乙炔在空气中的含量极少，约为0.001～0.1cm3/m3，在乙炔站或（石油）化工企业附近，可高达0.5～1.0cm3/m3.由于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，将随空气带入空分塔中；它在液空中的溶解度较大，一般不会在液空中析出，而随液空进入上塔，往往在液氧中析出。固态乙炔在无氧的情况下也可能发生爆炸分解反应，分解成碳和氢，并放出热量，其数值为8360kJ/kg，形成的气体体积为0.86m3/kg，温度达2600℃，其威力与烈性炸药三硝基甲苯（TNT）爆炸时相当。如果乙炔在分解时存在氧气，则生成的碳和氢又与氧发生氧化反应，而进一步放出热量，从而加剧爆炸的威力。固态乙炔在液氧中的爆炸敏感性极高，甚至比液氧炸药的可爆系数高18倍左右。由此可见，乙炔是造成空分塔爆炸的最危险的物质。
其它不饱和碳氢化合物也能发生爆炸分解反应，如乙烯、丙烯等。但它们在液氧中的溶解度比乙炔高，所以以固态析出的可能性较小，故危险性小些。但由于吸附器对其它碳氢化合物的吸附能力小，因此也有在液氧中积聚而构成爆炸的可能，实际也发生过液氧中乙炔含量并不高而发生主冷蒸发器爆炸事故，因此对其它碳氢化合物也不应忽视。
当液氧在冷凝蒸发器中蒸发时，随气氧带走的乙炔量约为液氧中的1/24，随着液氧的蒸发，液氧中的乙炔浓度不断提高，当超过其溶解度时，就会以固态析出，实际发生的情况往往是乙炔的总含量没有超过溶解度。但由于主冷蒸发器的结构不合理、或某些管道堵塞，造成液氧局部流动性不好，使乙炔在某些死角浓缩而析出，发生微弱爆炸。当空分装置在停车时，液空、液氧自然蒸发，则液体中的乙炔浓度将增加，也可能造成局部析出和聚集，而引发爆炸。
2.2助燃物（氧）
纯氧和液氧是空分装置的产品，属强氧化剂，氧化反应异常激烈，并放出大量热量，氧遇可燃物质极易发生燃烧爆炸事故。输送氧气的管道内，如存有油脂、溶剂、橡胶等可燃物质，在气流的作用下，杂质与管道发生摩擦，能产生高温而发生燃烧。输送氧气的管道如采用普通钢管，可因氧气流速过大，而引起钢管燃烧，甚至将钢管烧熔。氧气压缩机如气缸内有可燃物、密封磨损、超压等，也极易发生爆炸事故。在纯氧的环境中，可燃物质的自燃点会下降，爆炸极限范围会扩大，爆炸的危险性也就增大。
2.3引爆的因素
空分设备内的引爆源主要由下列因素造成。
a）摩擦与撞击的机械作用。固体颗粒，特别是乙炔和其它碳氢化合物固体与器壁及主冷通道的摩擦、撞击产生的能量，可引发空分塔发生爆炸。
液氧采用液氧泵输送，泵出口压力高。如液氧泵内进入异物，异物与叶轮、泵壳摩擦，液氧泵有可能发生泵体爆炸。爆炸造成液氧大量泄漏，遇可燃物还可引发火灾事故。如液氧泵在预冷开车或运行中，密封发生泄漏，氧与润滑油等可燃物接触，也可引发泵壳体外爆炸、着火。
输送氧气的管道内，如存有可燃固体物质，固体物质与管道发生摩擦，也能产生高温而发生燃烧。其燃烧的危险性与杂质的种类、粒度和氧气流速有直接关系。杂质的粒度越细，氧气流速越大，越愈燃烧。
b）静电作用。静电荷放电可引起可爆物爆炸。液氧的体积电阻很高，所产生的静电位可达3kV.研究表明，产生静电荷的强度取决于固体微粒在液氧中的运动速度、杂质的数量和性质。
静电荷的极性取决于杂质的极性。当液氧流速提高时，静电场强度迅速加强，因此，当液氧在空分塔内各种设备中运动和沸腾时，可能带电而且可能达到较高的电位。
c）臭氧等物质的作用。实验表明，臭氧将使液氧—可燃物混合物的爆炸敏感性增大。例如：一定量的乙炔在臭氧含量为5％的液氧中并不发生爆炸。而当液氧蒸发约剩1/5，臭氧浓缩到25％时，会发生强烈的爆炸。试验也表明，当臭氧与二氧化氮同时存在时，混合物的燃烧敏感性比只有臭氧时要高些。由此可见，臭氧等物质虽然不能导致爆炸，但可促使爆炸的发生。
d）压力脉冲。阀门快速开启以及气流在管道弯头内高速流动所引起的冲击波可能使气体局部绝热压缩。当液氧沸腾时，液体的冲击波也可能使气泡受到瞬间压缩，从而使局部温度升高。当液氧剧烈沸腾时，其运动速度可达10m/s以上，顺冲击波方向的压力可增高到10MPa，逆冲击波方向的压力可达20MPa，当冲击波在液体中扩散时，液氧泡受压缩，当压力为10MPa时温度可达1300℃。由此可见，压力脉冲也是引起爆炸的一个因素。
e）物理爆炸。在低温下储存的液氧、液氮、液氩遇热发生膨胀、气化。由于压力急剧上升，可引起设备、管道因超压而产生物理爆炸。氧在常压、-183℃时为液体，常温下会急剧蒸发，体积可扩大800倍。盛装液氧、液氮、液氩的容器，如遇热可发生物理爆炸，爆炸泄漏的大量氧气与可燃物质相遇，又可引起燃烧或化学爆炸。在空分装置运行过程中，当发生机械故障或误操作时会造成设备超压；装置中带油、断水；在充装气瓶时，由于超压或瓶中有可爆气体（如氢）存在等情况下，也会引起爆炸。
3 空分装置爆炸防控措施
3.1减少可爆物进入空分塔
空分装置应选择在环境清洁地区，并布置在有害气体及固体尘埃散发源的全年最小频率风向的下风侧。空分装置与周围设施的防火间距，以及装置内各设施及道路的布置、间距，应符合GB50160-2008《石油化工企业设计防火规范》、GB16912-1997《氧气及相关气体安全技术规程》的规定，以减少可燃物的吸入，保证原料空气的质量。对采用润滑油的活塞式空压机和活塞式膨胀机，会有少量油滴和油雾带入空分塔内。采用无油润滑的压缩机和膨胀机或汽轮压缩机和膨胀机，可以基本上杜绝润滑油及其轻馏分的来源。
3.2清除可爆物
a）对小型中压制氧，采用常温分子筛纯化器，吸附乙炔。
b）在下塔底部导入上塔的液空管路上设置液空吸附器，清除溶解在液空中的乙炔和其它碳氢化合物。
c）不断抽取含乙炔浓度较高的液氧到塔外蒸发，或当液空、液氧中的乙炔和其它碳氢化合物的浓度接近允许极限时，排放掉部分或全部液体。
d）使液氧循环通过液氧吸附器，清除残留于液氧中的乙炔和其它碳氢化合物。
e）及时对设备进行局部或全部加热清洗。按设备制造商提出的要求，空分设备每运行满1个周期后，应停车进行全面加温1次，彻底清除设备内的碳氢化合物和油脂。
f）氧气管道（管件）内壁应平滑，无锐边、毛刺及焊瘤，管道内部无油脂、杂质。开工前，氧气设备、管线必须清扫、吹洗、脱脂合格。
3.3防止可爆物局部浓缩
有的精馏塔爆炸是在液氧中乙炔含量不高的情况下发生，可能是由于乙炔、碳氢化合物在设备某些死角局部浓缩而析出造成的，因此要采取措施防止可爆物局部浓缩。
a）停车时间较长时，应将设备内的液氧、液空排放掉，以免在自然蒸发时造成乙炔、碳氢化合物浓缩析出。
b）保持液氧液面的稳定，且不要低于规定的高度。
c）在结构方面避免死角，或由于通道局部堵塞而造成流动不畅。
3.4其它防控措施
a）为了防止静电产生，空分塔必须在距离最大的两个部位接地，冷凝蒸发器、乙炔吸附器及液空、液氧的分析取样的排放管路等，若在法兰连接处没有跨接线时，应单独接地，接地电阻不应大于10Ω。室外空分装置防雷接地和冷箱内主要设备防静电接地应分别设置。
b）强化液体的过滤措施，以防固体二氧化碳、硅胶、珠光砂粉末带入液氧中。
c）防止超压爆炸。
d）低温液体（液氧、液氮、液氩）储槽应设有液位计、温度计、压力表及高液位报警设施，还应设有超压及真空泄放设施。低温液体储存容积不得超过容积的90%.液氧、液氮储存系统设置的中、高压液氧（液氮）泵与气化器间应设安全保护联锁装置。
e）气瓶（氧气、氮气、氩气）应定期检验，充装气瓶应防止超压、超温、混装，气瓶的充装、储存、运输都应符合《气瓶安全监察规程》等规范的要求。
4 结语
空分装置发生的设备爆炸事故有多种，但危害最严重的是空分塔冷凝蒸发器发生爆炸，而乙炔及其它碳氢化合物等可爆物杂质的积聚是造成空分塔爆炸的主要原因。只有减少、清除原料空气中存在的可爆物等杂质；避免可爆物在设备、管道、工艺物料（特别是液氧）中的积聚；严格空分装置的设计、制造、施工及生产安全管理，才能确保空分装置实现安全、长周期运行。

古道西风 · 发表于 2012-12-18 11:07:49

够全的啊，不错

师傅 · 发表于 2013-2-28 17:22:11

学习了，很好的资料。

1005824263 · 发表于 2013-4-3 20:01:43

谢谢楼主分享。

无有 · 发表于 2013-4-18 21:20:36

学习了，很好的资料。

gxlx2007 · 发表于 2019-10-6 12:31:50

学习了，很好的资料,谢谢分享。

uwnflkly · 发表于 2022-3-11 11:31:34

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