化工企业中空分装置主冷安全操作技术的应用

田旺晖

摘 要：冷凝蒸发器是精馏系统中必不可少的换热设备，它关系到整个空分装置的动力消耗和安全生产。据不完全统计，20世纪80年代空分装置爆炸以主冷爆炸居多，20世纪90年代，似乎又到了主冷爆炸高发期，国内外连续几台大型空分主冷爆炸损失惨重。1996 年3月，江西新余钢铁厂6000m2/h 空分主冷爆炸，空分塔报废。1997年5月，辽宁抚顺乙烯化工公司600m/h空分主冷爆炸，死亡4人。尤其是1997年12月圣诞之夜，马来西亚宾特鲁壳牌石油公司800m空分主冷爆炸设备全毁震惊世界，所以正确操作和维护冷凝蒸发器是空分装置安全运行保障。

关键词：精馏;主冷;液氧面分界处;液空循环吸附器;液氧循环倍率;碳氢化合物;上风向

大中型空分装置中O2、N2分离是通过上、下两塔内双级精馏来实现的，上下塔是系统气液精馏关键设备，精馏过程必须有上升蒸汽和下流液体，而主冷凝蒸发器是下塔顶部上升的氮气和上塔底部回流下来的液氧进行热量交换的场所，是上下塔纽带。液氧来自上塔底部，在冷凝蒸发器内吸收热量蒸发成气氧，气氮来自下塔上部，在冷凝器内放出热量冷凝成液氮供上下塔作为回流液“冷凝蒸发器”简称主冷。它关系到整个装置动力消耗和生产安全，其爆炸部位一般易发生在液氧面分界处、个别液体流动不畅的通道或在下部管板处或上顶处，其原因均有液氧（或富氧液空）存在，并在蒸发过程中造成危险物浓缩积聚，组成爆炸性混合物，在一定条件下引发爆炸。从燃爆三要素看主冷液氧是强氧化剂，液氧中微量臭氧和氮的氧化物也是较强的氧化剂，这种化学敏感性较强物质存在，增加了主冷爆炸敏感性;进入液氧中的微量油脂及C2H2等碳氢化合物在液氧中的积聚构成了可燃物;C2H2、CO2、分子筛粉末等固体杂质微粒的机械撞击、静电及压力脉冲等激发能量构成点火源。可采取措施避免主冷爆炸风险。安全技术控制经验如下，供同行借鉴参考。

一、根据风向玫瑰图，空分装置应布置在工厂常年上风向，选碳氢化合物含量少、空气质量稳定的进口位置，避免其他装置排放有害气体、烟尘污染原料，从源头远离有害气体源。要考虑风向和非正常环境改变，增强大气质量监测频率，设风向标变化及时分析，有害物质含量超标时采取加大氧气取出量或液氧排放量等措施。

二、降低固体杂质微粒进入系统几率，防止碳氢化合物等积聚析出，避免机械撞击。固体微粒悬浮液氧液面，易摩擦静电打火爆炸。（1）定期更换空气过滤器滤芯加强维护，沙地边缘扬尘较多可在过滤器人口增设无纺布遮挡降低负荷。（2）加大分子筛前后空气中固体微粒监测频率，严防分子筛老化。（3）检修时仔细检查喷淋冷却塔，避免偏流对空气洗涤效果下降。（4）空分装置定期大加温，除去积聚在热交换器和精馏塔内的C2H2、CO2及碳氢化合物、N2O等固体杂质微粒。（5）严格主冷分析，避免油脂及各碳氢化合物的积聚析出。固态C2H2在液氧中爆炸敏感性极高，甚至比液氧的可爆性还高18倍。（6）在环境恶化中内压缩流程装置可设置液氧或液空循环吸附器（7）在线连续分析与离线定时监测结合。定期手动分析校验在线分析仪表，使其灵敏可靠保障安全。

四、避免油脂进入精馏系统。避免空压机组及膨胀机组附着润滑脂，这些油脂进入主冷非常危险，进入分子筛也会污染吸附剂影响C2H2吸附。（1）空压机轴封采用机械迷宫密封。（2）轴封气入口均设自力式压力调节阀，避免轴封气压力过高将油脂推到工艺气体中。（3）空压机设置自保联锁和在线振动监测系统，可随时记录触发联锁点确保空压机正常运行，防止因频繁开停机而将油脂带入系统。（4）装置长时间运转时应对精馏塔、液氧循环系统清洗脱脂，主冷单元应浸泡8h，清洗后用足够压力的无油空气彻底吹扫再充分加温干燥。

五、避免有害物质进入，空气净化要尽量脱除水分、CO₂、碳氢化合物、固体微粒，避免堵塞换热器通道出现“干蒸发”“死端沸腾”现象。（1）制造安装过程清洁。（2）试车前吹扫避免杂质进入。（3）定时检查分子筛再生曲线，确保吸附正常。（4）定期检查空冷塔液位联锁防止除沫器异常或空压机压力波动造成空气带水。（5）每天循环水质分析避免油、酸或烃类物质进入系统。（6）监测空冷塔空气温度，减少空气含湿量，降低分子筛负荷提高对烃类和CO₂吸附能力。（7）定期校对CO₂在线检测仪和露点仪避免超标。（8）定期停车大加温吹扫。

六、全浸式主冷操作。从氧通道流动来看，板式主冷单元已构成液氧自循环回路。热负荷一定时，液氧面越高通道内液氧循环倍率越大，即液氧对通道壁面冲刷能力越好，C2H2等烴类不易在壁面析出。CO₂、分子筛粉末等颗粒也不易堵塞通道。流动越好传热系数越大。液面提高后通道内流速加快，不断冲刷壁面气泡提高蒸发器传热系数，但对热负荷不利。（1）保持一定主冷液面高度，可稀释液氧中C2H2含量，C2H2在液氧中极易析出。（2）液氧中CnHm增多时可增加制冷量提高主冷液面，加大氧气外送量或液氧排放等措施，降低CnHm浓度。（3）控制膨胀量使主冷液面略上升避免液面波动。（4）膜式主冷不宜全浸操作。

七、其他措施。（1）定期检查空分防雷、静电接地法兰跨接。CO2微粒达（200～300）×10pm时产生静电压达3kV。液氧单位电阻较大易产生静电，不接地时可产生数千伏静电压，接地阻抗<10欧。（2）缓慢进行系统和管道升压、加热操作，避免压力脉冲产生激发能源。（3）严格工艺标准操作。板式换热器温度控制、主冷液面稳定、有害物质监测等（4）加强岗位实践培训，健全管理制度。定期事故处置演练，牢记危险因素增强意识。（5）若液氧中CnHm不超标而发生爆炸，主要是由于冷凝蒸发器的选择、设计缺陷。若因某些通道堵塞、操作不当，造成液氧局部流动性不好，产生C2H2局部浓缩而发生爆炸。液氧通过蒸发器时控制蒸发量，即内循环倍率>5，不要过多减少温差（6）高氧区材质不宜用铝，用铜，如上塔接近主冷处填料层。

空分装置主冷防爆是安全生产关键，要控制液氧中碳氢化合物及油脂、N2O含量，其次严格控制引爆源、堵塞组份及监测措施。纵观以往主冷爆炸事故，无一不违反上述有关措施。本文所述主冷爆炸机理与防爆措施较简要，略嫌粗糙有待深入研究。