精细化工工艺安全设计中反应釜固体投料装置选择的探讨

刘畅

(湖北省化学工业研究设计院,湖北 武汉 430073)

在精细化工产品生产过程中,涉及的物料品种繁多,对使用物料的物理形态进行分类,主要分为固体和液体,将固体物料加入反应釜等设备是所有使用固体物料生产精细化工产品的必须过程。由于精细化工产品生产规模小、间歇式生产的特点,前些年设计的很多精细化工企业反应釜固体投料方式,大都是采用人工直接将物料从未密闭的投料口投入反应釜。随着国家法律法规对企业安全、环保、职业健康的要求越来越高,近些年来,采用机械化密闭式固体投料方式已逐步得到企业的重视,虽然机械化、密闭化、自动化的固体投料方式在新近建设的很多精细化工项目中被采用,但敞口式人工直接固体投料方式还普遍存在。精细化工绝大多数产品使用的物料大都具有易燃易爆、有毒有害等危险特性,由于不同产品涉及的化学反应工艺条件、使用物料危险特性不同,采用投料方式也不同,有些反应需在反应过程中分批、定量地加入固体物料,有些反应需控制固体加料速度等,以致固体投料时存在的风险和危害性也不同,这就需要进行化工工艺设计时选择不同的固体投料方式,尽量减小或消除所存在的风险和危害性。

1 敞口式人工直接固体加料方式的风险及危害性

敞口式人工直接固体加料方式,就是将固体袋装物料搬运到反应釜旁或者是投料平台,解开包装袋封口线,打开反应釜投料孔,通过投料漏斗,将固体物料人工投入反应釜。

1.1 风险分析

在反应釜已投入易挥发且易燃易爆液体物料的情况下,从反应釜投料口人工直接投入有机固体粉料,由于有机固体粉料的包装袋为塑料制成,塑料的绝缘性好,有机固体粉料与塑料包装袋的摩擦极易产生静电;投料时有机固体粉料向反应釜内流动,粉料之间摩擦也会产生静电。当反应釜投料口附近挥发的易燃易爆气体在空气中所占比例达到爆炸极限时,静电放电形成火花的能量达到反应釜投料口混合气体最小点火能量时,可引燃气体,致使投料口处发生闪爆[1]。事实上,很多企业也发生过固体投料引起投料口处闪爆,造成人员受伤、建筑物损坏的安全事故。此外,对遇湿易燃、遇湿易分解产生有毒气体的固体物料,投料时更是存在发生火灾爆炸、人员中毒的风险。

1.2 危害分析

采取敞口式人工直接固体加料方式向反应釜投入固体物料时,所产生的粉尘较多,生产车间作业环境污染较大,劳动强度大,操作人员如若长期吸入粉尘,易产生职业健康危害。为了保护作业人员的身体健康,国家对作业场所粉尘允许浓度有严格的规定[2]。

2 固体投料装置的选择

在精细化工产品生产过程中,固体投料装置常用类型主要是斗式投料装置[3],诸如螺旋式等投料装置也有应用。通常固体投料装置主要由料仓、加料器、除尘系统、计量控制系统组成。固体物料进入料仓的方式除了用人工加入外,主要有负压输送、正压输送等方式。虽然固体物料的气力输送在国内不同行业已成功应用了几十年,但应用到精细化工行业固体投料装置只是在近些年才真正得到逐步推广应用[4],究其原因还是国家对化工企业安全、环保、职业健康及提高自动化控制水平的严格要求所致[5-6]。负压输送是利用输送系统终端抽风设备抽吸系统内空气,形成低于大气压的负压气流,固体物料和空气从吸嘴一起进入系统内,进入料仓,气流经过滤且与固体粉尘分离后排放;正压输送是输送系统起点的送风设备,将高于大气压的气体送入系统中,固体物料随正压气流一起进入料仓,气流经过滤且与固体粉尘分离后排放[7-8]。目前国内众多设备制造厂家推出了不同的负压输送和正压输送固体投料装置及自控方案。

选择精细化工反应釜固体投料装置,需综合考虑反应釜一次投料量、物料危险特性、固体输送系统、工艺要求的固体物料进料时间、自动控制要求等因素后才能最终确定。根据设计经验和精细化工企业现状,以下就反应釜间歇式固体投料装置的选择作一些探讨。

2.1 适合于批量小、颗粒细小的固体投料装置

2007年3月,浙江省天正设计工程有限公司针对精细化工行业间歇投料且每批投料量小的特点,提出了一种固体投料装置的设计方法[9],介绍了加料仓、引风罩、除尘器及引风机等设计方法及设计选取的经验参数,并对固体物料计量和控制作了说明。投料装置的料仓、引风罩、加料口采用一体设计,有效地利用了空间。投料工艺流程示意图如图1所示。

图1 投料工艺流程示意图

以上投料工艺流程是通过提升机将装有固体物料的包装袋送至倒料平台,人工拆除包装袋封口线后,加入料仓。通常料仓的容积设计为一次投入反应釜固体物料量,约占料仓体积的三分之二,留有三分之一的容积余量可避免固体物料倒入料仓时,固体扬尘危害投料人员。料仓加料时开启风机,产生的粉尘经过滤网、袋式过滤器除尘后,排放的气体达到排放标准。料仓加到足够一次投入反应釜固体物料量后,开启料仓底部自动切断阀,自动切断阀与料仓形成联锁。自动称重信号引入总控制室,并在现场设置操作屏。当固体物料加入反应釜的用量达到工艺要求的设置值时,料仓底部自动切断阀关闭,固体投料作业完成。上述的固体投料装置,适合于固体物料投料量较小,在空气中稳定、吸湿性不强的单釜投料,且反应釜内已投入的液体物料不产生爆炸性气体的环境。

根据精细化工行业不同类型的反应釜固体投料装置快速涌现且得到企业重视的现状,对上述装置提出以下建议:

1)当反应釜内已投入的液体物料可形成爆炸性气体环境时,料仓需采取通氮气的措施,以氮气置换掉空气,避免空气随固体物料带入反应釜,防止空气与反应釜内液体挥发产生的易燃易爆气体混合后达到爆炸极限,在静电火花的引发下发生闪爆。

2)建议新建和需对原有固体投料系统改造的精细化工企业,可对上述的人工固体投料方式进行改进。根据企业具体情况,设置与生产车间隔离的固体物料输料间,采取负压或正压的方式输送固体物料。目前,市场上已推出小包装固体物料自动解包设备,可避免人工解包、倒料操作,通过负压或正压系统将固体物料输送至加料仓,避免了倒料操作产生的粉尘,可将固体物料自动解包设备安装在固体物料输料间,实现无尘化操作。此方案不仅对操作人员更安全,能显著改善生产车间的作业环境,更能进一步减少职业健康危害。不少精细化工企业已将负压或正压输送系统应用于反应釜固体物料投料装置[10-13]。

2.2 吨包固体投料装置

吨包是精细化工产品生产企业为了固体物料投料方便,要求固体物料生产厂家采取的一种包装形式,通常的规格为每袋500～2 000 kg。反应釜吨包固体投料装置经过多年技术沉淀和自控方案不断完善,已获得精细化工企业普遍认可,并在反应釜固体投料中逐步应用,吨包投料装置示意图如图2所示。

图2 吨包投料装置示意图

操作步骤:将预先准备好的吨包袋用电动葫芦吊起,放置在吨包袋支架上,通过手孔将吨包袋下端出料口上预置的袋口固定在吨包袋下料口固定器上(通常也称夹袋器)。然后解开吨包袋下端出料口上的绳索,固体物料顺着出料口加入料仓,料仓的容积可设计成足够容纳反应釜一次投料量,也可设计成足够容纳一个吨包袋固体物料的容积。打开料仓底部自控切断阀,将固体物料加入反应釜。当吨包物料投料完毕需更换下一包待投物料时,关闭自控切断阀,开启抽风系统,松开下料口固定器上的包装袋下料口,卸下空的吨包袋后,换上待投的吨包物料重复上述操作。卸下空的吨包袋产生的少量粉尘,可通过抽风管将粉尘吸入,经滤筒式除尘器除尘后达标排放。料仓设有称重系统,并与自控切断阀联锁,信号传至总控制室,并设有现场控制屏,当投到反应釜的固体物料的重量达到设定值时,自动关闭自控切断阀,完成投料。

以上只是吨包固体投料装置的简单工艺流程示意图,实际上一些企业根据实际情况,对吨包固体投料装置做了不少改进[14-15],如采用氮气保护、避免投料时釜内蒸汽导致投料管道堵塞的氮气吹扫、计量控制系统等。

吨包固体投料装置适合于固体物料投料量适中或较大的精细化工企业。

2.3 螺转给料固体投料装置

螺旋给料机是一种集物料输送、计量和定量控制为一体的输送设备,几乎应用于工业生产的各个行业,可输送粉末、颗粒、小块状物料。由于螺旋给料机不仅能够输送物料,同时能够完成计量和控制给料的特性,因此成功地应用于化工、医药行业粉状物料输送及配料、医药片剂配料等场景,在精细化工反应釜固体投料方面也得到广泛应用。螺旋给料固体投料工艺流程示意图如图3所示。

图3 螺旋给料固体投料工艺流程示意图

操作步骤:将固体物料加入料仓,需要加料时,打开反应釜上的下料阀,然后开启螺旋给料机,根据工艺要求的加料速度向反应釜给料。通常反应釜内已加入液体物料,固体加入反应釜后即与液体物料发生反应并放热,可将反应釜的温度与螺旋给料机的变频电机实行联锁调节。当反应釜内物料温度高时,将变频电机调低转速,固体给料速度也随之降低,进入反应釜内的固体物料量减少,导致放热量也减小,反之亦然,从而实现控制调节反应釜温度在工艺要求范围内。称重信号引入总控制室及现场控制屏,在投料前设定固体物料的投料值,将称重与下料阀实行联锁,当固体物料投料量达到设定值时,下料阀自动关闭,投料操作完成。

螺旋给料固体投料装置适合于反应温度控制范围小,且反应放热较大的精细化工反应釜的固体投料。一些企业根据自身情况,对螺旋给料固体投料装置作了相应的改进,如防止反应釜物料在反应时产生大量气体沿进料口直接进入螺旋加料机的改进措施等[16-18]。

2.4 特殊危险性固体物料投料装置

精细化工产品生产中,常涉及自燃、遇湿易燃、遇湿易分解、剧毒等固体物料的投料,一些企业设计了专用固体投料装置,并成功地应用于生产实际,如高活性固体物料金属钠等的投料[19],反应过程中需要分次分量加入固体硼氢化钠的投料[20]、易潮解生成磷化氢剧毒气体的固体磷化铝投料[21]等,以上固体物料采用适合物料性质、方便、安全的投料装置显得尤为关键。

3 结论

在精细化工生产中,反应釜的固体投料是操作单元的重要一环,选择适合物料危险性的固体物料投料装置,对消除投料时的安全风险、改善作业环境、防止产生职业危害、减轻操作人员劳动强度起着非常重要的作用。