保险粉“四合一”干燥器防爆设计与控制技术研究

陶利民 TAO Li-min；蒋胜 JIANG Sheng

（上海敏杰制药机械有限公司，上海 201414）

0 引言

保险粉，CAS号7775-14-6，学名连二亚硫酸钠，有二水盐、无水盐两种。前者为微黄色片状晶体，极不稳定，仅仅存在于碱性溶液中，加热至一定温度时便脱水转化成无水盐。无水盐的分子式Na2S2O4，是一种流动性很好的白色粉末状结晶。

保险粉为一种强还原剂，遇酸、空气、受热、受潮时分解，并发出大量的热量，同时产生大量有毒的二氧化硫气体。因此，保险粉的分解反应是一种自我催化反应，它在分解时产生大量的热量，而热量的增加又会促进保险粉的分解，从而产生大量的二氧化硫气体，如果未及时控制，将会引起更严重的后果，导致火灾甚至爆炸事故的发生。

保险粉的生产工艺有多种，分为甲酸钠法、锌粉法、硼氢化钠法等，最广泛使用的是甲酸钠法。在中国，全部使用甲酸钠法生产保险粉。保险粉的生产工艺过程按生产工序可分为配料、合成、干燥、副产品回收、溶剂精馏、废液处理、尾气处理、公用工程等。国内保险粉工业化生产，是在合成反应釜中，以焦亚硫酸钠、甲酸钠、二氧化硫为原料，在甲醇-水溶液中，控制反应温度约80-83℃，从而得到保险粉悬浮液，然后再进行过滤、洗涤、干燥后，冷却、添加保险粉稳定剂如碳酸钠等混合均匀后，再进行包装得到的。一直以来，保险粉的过滤、洗涤、干燥、稳定剂混合四个步骤都是在同一台设备中完成，它是一台围绕中心轴旋转，还可实现真空、加热、冷却等多功能的设备，因此，业内将这台设备称之为“四合一”（设备简图见图1），其设备本体材质一般采用304或316系列不锈钢。

图1 设备简图

在保险粉安全生产上，是按甲类进行防火防爆设计及管理的，但业内有一个共识，除需按国家有关规范进行设计和管理外，保险粉安全生产还有一个不确定的因素，那就是，由于保险粉的自身不稳定容易分解的属性，在反应及干燥阶段，特别是在干燥器中，有可能会出现爆炸的潜在可能。在合成反应阶段，即反应釜中，把控好反应过程，基本上可以防止爆炸事故发生。但保险粉发生爆炸最多，也最难把控的地点是在干燥阶段，也就是说，绝大多数的爆炸事故都发生在干燥器，也就是“四合一”的干燥过程中。

刘秀生在《合成“四合一釜”在氯离子水溶液环境中应力腐蚀失效与防护的技术探讨》一文中，对“四合一”干燥器的腐蚀，从物料性质、加工结构、工艺参数、工作介质发生应力腐蚀开裂的工况条件、腐蚀机理以及设备运行特点等方面进行了技术探讨，并提出了建议和相应技术、防护措施等，指出从设计、选材、介质、降低外载应力、结构、工况环境、制造过程控制使用管理上进行改进[1]。

何波在《预防爆炸的故障树分析法》一文中，分析了保险粉“四合一”釜爆炸事故的原因，运用故障树分析法找出引发事故的各种因素，指出造成“四合一”爆炸的主要原因是由于人的不安全行为和设备本身的不安全因素构成，并列举了36种防范措施，指出只要做好任何一种防范，就会杜绝“四合一”的爆炸事故，从而得到的解决方法是从人的不安全因素和设备本身的不安全因素方面来解决，以达到有效预防爆炸的目的[2]。

沈孝文在《保险粉2#“四合一”釜爆炸失效分析》一文中，对2011年8月30日某厂保险粉2#“四合一”釜爆炸所发生的原因进行了分析，认为造成事故的主因是因为工艺控制不当或操作原因引起的化学反应爆炸，并对预防爆炸提出了建议[3]。

本文就干燥器爆炸事故发生的原因以及如何从本质上防止干燥器爆炸事故的发生作简略的探讨。

1 保险粉合成及保险粉分解机理

以甲酸钠、二氧化硫、焦亚硫酸钠为原料生产保险粉的总反应方程式如下：

2HCOONa+Na2S2O5+2SO2=2Na2S2O4+2CO2↑

以焦亚硫酸钠与甲酸钠、二氧化硫在醇水溶液中反应，生成保险粉的反应机理有多种述说，在本文中不过多探讨。

保险粉属于易分解化学品，在0℃到35℃之间的分解反应式如下[4]：

有氧环境中：

Na2S2O4+O2+H2O→NaHSO4+NaHSO3

缺氧环境中：

2Na2S2O4+H2O→2NaHSO3+Na2S2O3

强碱性介质中：

3Na2S2O4+6NaOH→5Na2SO3+Na2S+3H2O

酸性介质中：

H2S2O4+H2O→3SO2+S+2H2O

强酸性介质中：

3H2S2O4→5SO2+H2S+2H2O

在较高温度、缺氧条件下，保险粉会发生发热分解，生成亚硫酸钠并放出SO2：

Na2S2O4+H2O→Na2SO3+SO2↑

在较高温度、有氧条件下，保险粉会发生发热分解，生成硫酸钠并放出SO2：

2Na2S2O4+2H2O+O2→2Na2SO4+2SO2↑

另外，在保险粉合成反应中，会发生如下反应[5]：

2Na2S2O4→Na2S2O3+Na2S2O5

保险粉分解后生成硫代硫酸钠，而硫代硫酸钠又是保险粉分解的催化剂，因此，该反应是一个自动催化反应，保险粉分解越多，分解速度越快。

由以上可以看出，在保险粉正常生产过程中，引起保险粉分解的主要原因是由于水及氧气的进入。由于保险粉是在甲醇-水溶剂中生产的，在反应阶段，控制较合适的醇水比（约80/20，重量百分比）、正常反应温度（≤84℃）下，保险粉的分解是可控的。醇水比越高，保险粉的分解速率越低。

保险粉合成反应完成，将浆料放入“四合一”中，在“四合一”中过滤母液后，用甲醇洗涤保险粉滤饼，以置换残留在滤饼中的母液中的醇水溶剂，然后在真空条件下，通过“四合一”盘管及夹套中的加热介质，以间接传热的方式，去除掉保险粉滤饼中残留的甲醇和极少量水。溶剂甲醇与少量的水蒸发完后，对“四合一”中的保险粉进行冷却，完成对保险粉的干燥过程，最后在“四合一”中混入保险粉稳定剂，经包装，得到保险粉固体产品。

2 “四合一”发生爆炸的可能原因

根据保险粉分解机理，结合实际生产经验，“四合一”发生爆炸的主要原因有：

①用甲醇洗涤时，洗涤不到位，包括洗涤甲醇量不足、洗涤甲醇中含水量偏高、洗涤时间过短、前期合成阶段保险粉结晶差等，导致“四合一”中洗涤完成后，残留在保险粉中的水分仍然过高，当干燥开始后，因温度升高，保险粉与水反应导致保险粉分解；

②在过滤过程中，用惰性气体压滤时的惰性气体中含氧量偏高，导致保险粉部分在干燥前已出现分解现象；

③在反应阶段，未控制好反应过程，使得合成过程中硫代硫酸钠的含量偏高，导致保险粉在干燥前有偏高的分解反应发生；

④“四合一”内盘管、夹套有渗漏现象，在真空条件下，渗漏现象更严重，干燥开始后温度升高，渗漏的水与保险粉接触，导致保险粉的不断分解；

⑤“四合一”的某些部位的密封出现渗漏，导致在干燥过程中，在真空的作用下，空气渗入到“四合一”中，与保险粉接触，导致保险粉氧化分解；

⑥真空度偏低，使得干燥温度偏高，高温导致保险粉分解；

⑦由于国内保险粉装置均没有采用自动化控制生产，有时在干燥完成后，操作工人未及时改用冷却水降温，使得“四合一”内温度持续升高，导致保险粉分解。

在以上任何情况下，保险粉在“四合一”中的分解，均是在较高温度下进行的，因此，分解产物有SO2，而随着分解放热，保险粉的温度越来越高，分解会越来越剧烈，SO2的量也急剧增加，导致“四合一”真空度下降，并逐步变成正压，如果没有及时处理，将导致“四合一”爆炸事故的发生。

3 出现可能严重事故时的现有处理方法

“四合一”在干燥过程中出现上述不正常状态后，一直以来，处理方式是：停止“四合一”的加热，全开冷却水，使其降温，如果发现的早，通过降温，可以避免保险粉的分解；如果“四合一”压力持续升高，则将“四合一”的人孔尽量转到安全方向，如向下，避免爆炸时伤到人；紧急疏散人员。

在此之前，对“四合一”防爆所作的改进主要有：

①在“四合一”筒体上增加一到两个DN80/100的爆破片。

②“四合一”人孔大盖的密封垫剪成可断开斜口，在“四合一”釜内压力过大时可以冲开密封垫，促使压力泄放。

③“四合一”筒体内的最高工作压力为0.25～0.3MPa，但在制作“四合一”时的设计压力提高到0.6MPa或以上。

④加强操作人员培训与管理，加强设备制作及现场设备管理。

以上各种改进，虽对防止“四合一”爆炸事故的发生，有一定的预防作用，但在“四合一”生产异常时，依然存在无法阻止爆炸事故发生的可能。

4 “四合一”防爆设计与控制

从根本上解决“四合一”爆炸事故的方法，可根据《保险粉干燥器安全防爆系统及其安全防爆方法》[6]《保险粉干燥器安全防爆系统》[7]的设计理念，设计一种保险粉干燥器安全防爆系统（图2），保证“四合一”的安全生产。

图2 保险粉干燥器安全防爆系统图

具体设计方案、设计说明、控制方法如下：

①在“四合一”出口真空管上，设置有在线压力检测仪表。在此管路上，新设计一支管，在该支管上安装一气动或电动开关阀，并与真空压力表联锁，当真空下降到一定值时，说明“四合一”釜中的保险粉已发生分解，该开关阀自动开启，将气体向安全位置排放。同时，与“四合一”的冷热水自动阀进行联锁，在此情况下，用于“四合一”加热的热水阀关闭，冷却水阀打开。按生产经验，此种情况下通过手动处理时，可避免事故的发生。此设计由自动控制代替人工操作，避免了人的不可靠性，从而尽可能避免事故的发生。

②在真空出口管上再设计一支管，该支管上安装安全阀，当前一步所采用的措施仍然不足以阻止保险粉的分解时，安全阀打开，自动泄压，并将气体向安全位置排放。

③在真空出口管上再设计一支管，该支管上安装爆破片，当前两步措施仍不足以消除保险粉分解所引起的系统压力，爆破片爆破，通过该支管继续泄压。

④在真空轴上设计一爆破片口，在“四合一”压力超过一定压力但小于“四合一”的设计压力时，该爆破片爆破，系统压力向气相管道泄放。

⑤在真空出口管上设计一除尘缓冲罐，便于收集气相管道中所积聚的保险粉粉尘。

通过以上多级措施，在“四合一”出现保险粉分解，导致压力升高时，将压力通过安全系统泄放，从而实现“四合一”生产的本质安全。

5 结语

通过对保险粉保险粉“四合一”干燥器的安全技术改进设计与控制，从本质上解决了“四合一”出现生产异常时可能产生的安全隐患，可最大限度地避免安全爆炸事故的发生。