精細化工工藝安全設計中反應釜固體投料裝置選擇的探討

劉暢

(湖北省化學工業研究設計院,湖北 武漢 430073)

在精細化工產品生產過程中,涉及的物料品種繁多,對使用物料的物理形態進行分類,主要分為固體和液體,將固體物料加入反應釜等設備是所有使用固體物料生產精細化工產品的必須過程。由于精細化工產品生產規模小、間歇式生產的特點,前些年設計的很多精細化工企業反應釜固體投料方式,大都是采用人工直接將物料從未密閉的投料口投入反應釜。隨著國家法律法規對企業安全、環保、職業健康的要求越來越高,近些年來,采用機械化密閉式固體投料方式已逐步得到企業的重視,雖然機械化、密閉化、自動化的固體投料方式在新近建設的很多精細化工項目中被采用,但敞口式人工直接固體投料方式還普遍存在。精細化工絕大多數產品使用的物料大都具有易燃易爆、有毒有害等危險特性,由于不同產品涉及的化學反應工藝條件、使用物料危險特性不同,采用投料方式也不同,有些反應需在反應過程中分批、定量地加入固體物料,有些反應需控制固體加料速度等,以致固體投料時存在的風險和危害性也不同,這就需要進行化工工藝設計時選擇不同的固體投料方式,盡量減小或消除所存在的風險和危害性。

1 敞口式人工直接固體加料方式的風險及危害性

敞口式人工直接固體加料方式,就是將固體袋裝物料搬運到反應釜旁或者是投料平臺,解開包裝袋封口線,打開反應釜投料孔,通過投料漏斗,將固體物料人工投入反應釜。

1.1 風險分析

在反應釜已投入易揮發且易燃易爆液體物料的情況下,從反應釜投料口人工直接投入有機固體粉料,由于有機固體粉料的包裝袋為塑料制成,塑料的絕緣性好,有機固體粉料與塑料包裝袋的摩擦極易產生靜電;投料時有機固體粉料向反應釜內流動,粉料之間摩擦也會產生靜電。當反應釜投料口附近揮發的易燃易爆氣體在空氣中所占比例達到爆炸極限時,靜電放電形成火花的能量達到反應釜投料口混合氣體最小點火能量時,可引燃氣體,致使投料口處發生閃爆[1]。事實上,很多企業也發生過固體投料引起投料口處閃爆,造成人員受傷、建筑物損壞的安全事故。此外,對遇濕易燃、遇濕易分解產生有毒氣體的固體物料,投料時更是存在發生火災爆炸、人員中毒的風險。

1.2 危害分析

采取敞口式人工直接固體加料方式向反應釜投入固體物料時,所產生的粉塵較多,生產車間作業環境污染較大,勞動強度大,操作人員如若長期吸入粉塵,易產生職業健康危害。為了保護作業人員的身體健康,國家對作業場所粉塵允許濃度有嚴格的規定[2]。

2 固體投料裝置的選擇

在精細化工產品生產過程中,固體投料裝置常用類型主要是斗式投料裝置[3],諸如螺旋式等投料裝置也有應用。通常固體投料裝置主要由料倉、加料器、除塵系統、計量控制系統組成。固體物料進入料倉的方式除了用人工加入外,主要有負壓輸送、正壓輸送等方式。雖然固體物料的氣力輸送在國內不同行業已成功應用了幾十年,但應用到精細化工行業固體投料裝置只是在近些年才真正得到逐步推廣應用[4],究其原因還是國家對化工企業安全、環保、職業健康及提高自動化控制水平的嚴格要求所致[5-6]。負壓輸送是利用輸送系統終端抽風設備抽吸系統內空氣,形成低于大氣壓的負壓氣流,固體物料和空氣從吸嘴一起進入系統內,進入料倉,氣流經過濾且與固體粉塵分離后排放;正壓輸送是輸送系統起點的送風設備,將高于大氣壓的氣體送入系統中,固體物料隨正壓氣流一起進入料倉,氣流經過濾且與固體粉塵分離后排放[7-8]。目前國內眾多設備制造廠家推出了不同的負壓輸送和正壓輸送固體投料裝置及自控方案。

選擇精細化工反應釜固體投料裝置,需綜合考慮反應釜一次投料量、物料危險特性、固體輸送系統、工藝要求的固體物料進料時間、自動控制要求等因素后才能最終確定。根據設計經驗和精細化工企業現狀,以下就反應釜間歇式固體投料裝置的選擇作一些探討。

2.1 適合于批量小、顆粒細小的固體投料裝置

2007年3月,浙江省天正設計工程有限公司針對精細化工行業間歇投料且每批投料量小的特點,提出了一種固體投料裝置的設計方法[9],介紹了加料倉、引風罩、除塵器及引風機等設計方法及設計選取的經驗參數,并對固體物料計量和控制作了說明。投料裝置的料倉、引風罩、加料口采用一體設計,有效地利用了空間。投料工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 投料工藝流程示意圖

以上投料工藝流程是通過提升機將裝有固體物料的包裝袋送至倒料平臺,人工拆除包裝袋封口線后,加入料倉。通常料倉的容積設計為一次投入反應釜固體物料量,約占料倉體積的三分之二,留有三分之一的容積余量可避免固體物料倒入料倉時,固體揚塵危害投料人員。料倉加料時開啟風機,產生的粉塵經過濾網、袋式過濾器除塵后,排放的氣體達到排放標準。料倉加到足夠一次投入反應釜固體物料量后,開啟料倉底部自動切斷閥,自動切斷閥與料倉形成聯鎖。自動稱重信號引入總控制室,并在現場設置操作屏。當固體物料加入反應釜的用量達到工藝要求的設置值時,料倉底部自動切斷閥關閉,固體投料作業完成。上述的固體投料裝置,適合于固體物料投料量較小,在空氣中穩定、吸濕性不強的單釜投料,且反應釜內已投入的液體物料不產生爆炸性氣體的環境。

根據精細化工行業不同類型的反應釜固體投料裝置快速涌現且得到企業重視的現狀,對上述裝置提出以下建議:

1)當反應釜內已投入的液體物料可形成爆炸性氣體環境時,料倉需采取通氮氣的措施,以氮氣置換掉空氣,避免空氣隨固體物料帶入反應釜,防止空氣與反應釜內液體揮發產生的易燃易爆氣體混合后達到爆炸極限,在靜電火花的引發下發生閃爆。

2)建議新建和需對原有固體投料系統改造的精細化工企業,可對上述的人工固體投料方式進行改進。根據企業具體情況,設置與生產車間隔離的固體物料輸料間,采取負壓或正壓的方式輸送固體物料。目前,市場上已推出小包裝固體物料自動解包設備,可避免人工解包、倒料操作,通過負壓或正壓系統將固體物料輸送至加料倉,避免了倒料操作產生的粉塵,可將固體物料自動解包設備安裝在固體物料輸料間,實現無塵化操作。此方案不僅對操作人員更安全,能顯著改善生產車間的作業環境,更能進一步減少職業健康危害。不少精細化工企業已將負壓或正壓輸送系統應用于反應釜固體物料投料裝置[10-13]。

2.2 噸包固體投料裝置

噸包是精細化工產品生產企業為了固體物料投料方便,要求固體物料生產廠家采取的一種包裝形式,通常的規格為每袋500～2 000 kg。反應釜噸包固體投料裝置經過多年技術沉淀和自控方案不斷完善,已獲得精細化工企業普遍認可,并在反應釜固體投料中逐步應用,噸包投料裝置示意圖如圖2所示。

圖2 噸包投料裝置示意圖

操作步驟:將預先準備好的噸包袋用電動葫蘆吊起,放置在噸包袋支架上,通過手孔將噸包袋下端出料口上預置的袋口固定在噸包袋下料口固定器上(通常也稱夾袋器)。然后解開噸包袋下端出料口上的繩索,固體物料順著出料口加入料倉,料倉的容積可設計成足夠容納反應釜一次投料量,也可設計成足夠容納一個噸包袋固體物料的容積。打開料倉底部自控切斷閥,將固體物料加入反應釜。當噸包物料投料完畢需更換下一包待投物料時,關閉自控切斷閥,開啟抽風系統,松開下料口固定器上的包裝袋下料口,卸下空的噸包袋后,換上待投的噸包物料重復上述操作。卸下空的噸包袋產生的少量粉塵,可通過抽風管將粉塵吸入,經濾筒式除塵器除塵后達標排放。料倉設有稱重系統,并與自控切斷閥聯鎖,信號傳至總控制室,并設有現場控制屏,當投到反應釜的固體物料的重量達到設定值時,自動關閉自控切斷閥,完成投料。

以上只是噸包固體投料裝置的簡單工藝流程示意圖,實際上一些企業根據實際情況,對噸包固體投料裝置做了不少改進[14-15],如采用氮氣保護、避免投料時釜內蒸汽導致投料管道堵塞的氮氣吹掃、計量控制系統等。

噸包固體投料裝置適合于固體物料投料量適中或較大的精細化工企業。

2.3 螺轉給料固體投料裝置

螺旋給料機是一種集物料輸送、計量和定量控制為一體的輸送設備,幾乎應用于工業生產的各個行業,可輸送粉末、顆粒、小塊狀物料。由于螺旋給料機不僅能夠輸送物料,同時能夠完成計量和控制給料的特性,因此成功地應用于化工、醫藥行業粉狀物料輸送及配料、醫藥片劑配料等場景,在精細化工反應釜固體投料方面也得到廣泛應用。螺旋給料固體投料工藝流程示意圖如圖3所示。

圖3 螺旋給料固體投料工藝流程示意圖

操作步驟:將固體物料加入料倉,需要加料時,打開反應釜上的下料閥,然后開啟螺旋給料機,根據工藝要求的加料速度向反應釜給料。通常反應釜內已加入液體物料,固體加入反應釜后即與液體物料發生反應并放熱,可將反應釜的溫度與螺旋給料機的變頻電機實行聯鎖調節。當反應釜內物料溫度高時,將變頻電機調低轉速,固體給料速度也隨之降低,進入反應釜內的固體物料量減少,導致放熱量也減小,反之亦然,從而實現控制調節反應釜溫度在工藝要求范圍內。稱重信號引入總控制室及現場控制屏,在投料前設定固體物料的投料值,將稱重與下料閥實行聯鎖,當固體物料投料量達到設定值時,下料閥自動關閉,投料操作完成。

螺旋給料固體投料裝置適合于反應溫度控制范圍小,且反應放熱較大的精細化工反應釜的固體投料。一些企業根據自身情況,對螺旋給料固體投料裝置作了相應的改進,如防止反應釜物料在反應時產生大量氣體沿進料口直接進入螺旋加料機的改進措施等[16-18]。

2.4 特殊危險性固體物料投料裝置

精細化工產品生產中,常涉及自燃、遇濕易燃、遇濕易分解、劇毒等固體物料的投料,一些企業設計了專用固體投料裝置,并成功地應用于生產實際,如高活性固體物料金屬鈉等的投料[19],反應過程中需要分次分量加入固體硼氫化鈉的投料[20]、易潮解生成磷化氫劇毒氣體的固體磷化鋁投料[21]等,以上固體物料采用適合物料性質、方便、安全的投料裝置顯得尤為關鍵。

3 結論

在精細化工生產中,反應釜的固體投料是操作單元的重要一環,選擇適合物料危險性的固體物料投料裝置,對消除投料時的安全風險、改善作業環境、防止產生職業危害、減輕操作人員勞動強度起著非常重要的作用。