保險粉“四合一”干燥器防爆設計與控制技術研究

陶利民 TAO Li-min；蔣勝 JIANG Sheng

（上海敏杰制藥機械有限公司，上海 201414）

0 引言

保險粉，CAS號7775-14-6，學名連二亞硫酸鈉，有二水鹽、無水鹽兩種。前者為微黃色片狀晶體，極不穩定，僅僅存在于堿性溶液中，加熱至一定溫度時便脫水轉化成無水鹽。無水鹽的分子式Na2S2O4，是一種流動性很好的白色粉末狀結晶。

保險粉為一種強還原劑，遇酸、空氣、受熱、受潮時分解，并發出大量的熱量，同時產生大量有毒的二氧化硫氣體。因此，保險粉的分解反應是一種自我催化反應，它在分解時產生大量的熱量，而熱量的增加又會促進保險粉的分解，從而產生大量的二氧化硫氣體，如果未及時控制，將會引起更嚴重的后果，導致火災甚至爆炸事故的發生。

保險粉的生產工藝有多種，分為甲酸鈉法、鋅粉法、硼氫化鈉法等，最廣泛使用的是甲酸鈉法。在中國，全部使用甲酸鈉法生產保險粉。保險粉的生產工藝過程按生產工序可分為配料、合成、干燥、副產品回收、溶劑精餾、廢液處理、尾氣處理、公用工程等。國內保險粉工業化生產，是在合成反應釜中，以焦亞硫酸鈉、甲酸鈉、二氧化硫為原料，在甲醇-水溶液中，控制反應溫度約80-83℃，從而得到保險粉懸浮液，然后再進行過濾、洗滌、干燥后，冷卻、添加保險粉穩定劑如碳酸鈉等混合均勻后，再進行包裝得到的。一直以來，保險粉的過濾、洗滌、干燥、穩定劑混合四個步驟都是在同一臺設備中完成，它是一臺圍繞中心軸旋轉，還可實現真空、加熱、冷卻等多功能的設備，因此，業內將這臺設備稱之為“四合一”（設備簡圖見圖1），其設備本體材質一般采用304或316系列不銹鋼。

圖1 設備簡圖

在保險粉安全生產上，是按甲類進行防火防爆設計及管理的，但業內有一個共識，除需按國家有關規范進行設計和管理外，保險粉安全生產還有一個不確定的因素，那就是，由于保險粉的自身不穩定容易分解的屬性，在反應及干燥階段，特別是在干燥器中，有可能會出現爆炸的潛在可能。在合成反應階段，即反應釜中，把控好反應過程，基本上可以防止爆炸事故發生。但保險粉發生爆炸最多，也最難把控的地點是在干燥階段，也就是說，絕大多數的爆炸事故都發生在干燥器，也就是“四合一”的干燥過程中。

劉秀生在《合成“四合一釜”在氯離子水溶液環境中應力腐蝕失效與防護的技術探討》一文中，對“四合一”干燥器的腐蝕，從物料性質、加工結構、工藝參數、工作介質發生應力腐蝕開裂的工況條件、腐蝕機理以及設備運行特點等方面進行了技術探討，并提出了建議和相應技術、防護措施等，指出從設計、選材、介質、降低外載應力、結構、工況環境、制造過程控制使用管理上進行改進[1]。

何波在《預防爆炸的故障樹分析法》一文中，分析了保險粉“四合一”釜爆炸事故的原因，運用故障樹分析法找出引發事故的各種因素，指出造成“四合一”爆炸的主要原因是由于人的不安全行為和設備本身的不安全因素構成，并列舉了36種防范措施，指出只要做好任何一種防范，就會杜絕“四合一”的爆炸事故，從而得到的解決方法是從人的不安全因素和設備本身的不安全因素方面來解決，以達到有效預防爆炸的目的[2]。

沈孝文在《保險粉2#“四合一”釜爆炸失效分析》一文中，對2011年8月30日某廠保險粉2#“四合一”釜爆炸所發生的原因進行了分析，認為造成事故的主因是因為工藝控制不當或操作原因引起的化學反應爆炸，并對預防爆炸提出了建議[3]。

本文就干燥器爆炸事故發生的原因以及如何從本質上防止干燥器爆炸事故的發生作簡略的探討。

1 保險粉合成及保險粉分解機理

以甲酸鈉、二氧化硫、焦亞硫酸鈉為原料生產保險粉的總反應方程式如下：

2HCOONa+Na2S2O5+2SO2=2Na2S2O4+2CO2↑

以焦亞硫酸鈉與甲酸鈉、二氧化硫在醇水溶液中反應，生成保險粉的反應機理有多種述說，在本文中不過多探討。

保險粉屬于易分解化學品，在0℃到35℃之間的分解反應式如下[4]：

有氧環境中：

Na2S2O4+O2+H2O→NaHSO4+NaHSO3

缺氧環境中：

2Na2S2O4+H2O→2NaHSO3+Na2S2O3

強堿性介質中：

3Na2S2O4+6NaOH→5Na2SO3+Na2S+3H2O

酸性介質中：

H2S2O4+H2O→3SO2+S+2H2O

強酸性介質中：

3H2S2O4→5SO2+H2S+2H2O

在較高溫度、缺氧條件下，保險粉會發生發熱分解，生成亞硫酸鈉并放出SO2：

Na2S2O4+H2O→Na2SO3+SO2↑

在較高溫度、有氧條件下，保險粉會發生發熱分解，生成硫酸鈉并放出SO2：

2Na2S2O4+2H2O+O2→2Na2SO4+2SO2↑

另外，在保險粉合成反應中，會發生如下反應[5]：

2Na2S2O4→Na2S2O3+Na2S2O5

保險粉分解后生成硫代硫酸鈉，而硫代硫酸鈉又是保險粉分解的催化劑，因此，該反應是一個自動催化反應，保險粉分解越多，分解速度越快。

由以上可以看出，在保險粉正常生產過程中，引起保險粉分解的主要原因是由于水及氧氣的進入。由于保險粉是在甲醇-水溶劑中生產的，在反應階段，控制較合適的醇水比（約80/20，重量百分比）、正常反應溫度（≤84℃）下，保險粉的分解是可控的。醇水比越高，保險粉的分解速率越低。

保險粉合成反應完成，將漿料放入“四合一”中，在“四合一”中過濾母液后，用甲醇洗滌保險粉濾餅，以置換殘留在濾餅中的母液中的醇水溶劑，然后在真空條件下，通過“四合一”盤管及夾套中的加熱介質，以間接傳熱的方式，去除掉保險粉濾餅中殘留的甲醇和極少量水。溶劑甲醇與少量的水蒸發完后，對“四合一”中的保險粉進行冷卻，完成對保險粉的干燥過程，最后在“四合一”中混入保險粉穩定劑，經包裝，得到保險粉固體產品。

2 “四合一”發生爆炸的可能原因

根據保險粉分解機理，結合實際生產經驗，“四合一”發生爆炸的主要原因有：

①用甲醇洗滌時，洗滌不到位，包括洗滌甲醇量不足、洗滌甲醇中含水量偏高、洗滌時間過短、前期合成階段保險粉結晶差等，導致“四合一”中洗滌完成后，殘留在保險粉中的水分仍然過高，當干燥開始后，因溫度升高，保險粉與水反應導致保險粉分解；

②在過濾過程中，用惰性氣體壓濾時的惰性氣體中含氧量偏高，導致保險粉部分在干燥前已出現分解現象；

③在反應階段，未控制好反應過程，使得合成過程中硫代硫酸鈉的含量偏高，導致保險粉在干燥前有偏高的分解反應發生；

④“四合一”內盤管、夾套有滲漏現象，在真空條件下，滲漏現象更嚴重，干燥開始后溫度升高，滲漏的水與保險粉接觸，導致保險粉的不斷分解；

⑤“四合一”的某些部位的密封出現滲漏，導致在干燥過程中，在真空的作用下，空氣滲入到“四合一”中，與保險粉接觸，導致保險粉氧化分解；

⑥真空度偏低，使得干燥溫度偏高，高溫導致保險粉分解；

⑦由于國內保險粉裝置均沒有采用自動化控制生產，有時在干燥完成后，操作工人未及時改用冷卻水降溫，使得“四合一”內溫度持續升高，導致保險粉分解。

在以上任何情況下，保險粉在“四合一”中的分解，均是在較高溫度下進行的，因此，分解產物有SO2，而隨著分解放熱，保險粉的溫度越來越高，分解會越來越劇烈，SO2的量也急劇增加，導致“四合一”真空度下降，并逐步變成正壓，如果沒有及時處理，將導致“四合一”爆炸事故的發生。

3 出現可能嚴重事故時的現有處理方法

“四合一”在干燥過程中出現上述不正常狀態后，一直以來，處理方式是：停止“四合一”的加熱，全開冷卻水，使其降溫，如果發現的早，通過降溫，可以避免保險粉的分解；如果“四合一”壓力持續升高，則將“四合一”的人孔盡量轉到安全方向，如向下，避免爆炸時傷到人；緊急疏散人員。

在此之前，對“四合一”防爆所作的改進主要有：

①在“四合一”筒體上增加一到兩個DN80/100的爆破片。

②“四合一”人孔大蓋的密封墊剪成可斷開斜口，在“四合一”釜內壓力過大時可以沖開密封墊，促使壓力泄放。

③“四合一”筒體內的最高工作壓力為0.25～0.3MPa，但在制作“四合一”時的設計壓力提高到0.6MPa或以上。

④加強操作人員培訓與管理，加強設備制作及現場設備管理。

以上各種改進，雖對防止“四合一”爆炸事故的發生，有一定的預防作用，但在“四合一”生產異常時，依然存在無法阻止爆炸事故發生的可能。

4 “四合一”防爆設計與控制

從根本上解決“四合一”爆炸事故的方法，可根據《保險粉干燥器安全防爆系統及其安全防爆方法》[6]《保險粉干燥器安全防爆系統》[7]的設計理念，設計一種保險粉干燥器安全防爆系統（圖2），保證“四合一”的安全生產。

圖2 保險粉干燥器安全防爆系統圖

具體設計方案、設計說明、控制方法如下：

①在“四合一”出口真空管上，設置有在線壓力檢測儀表。在此管路上，新設計一支管，在該支管上安裝一氣動或電動開關閥，并與真空壓力表聯鎖，當真空下降到一定值時，說明“四合一”釜中的保險粉已發生分解，該開關閥自動開啟，將氣體向安全位置排放。同時，與“四合一”的冷熱水自動閥進行聯鎖，在此情況下，用于“四合一”加熱的熱水閥關閉，冷卻水閥打開。按生產經驗，此種情況下通過手動處理時，可避免事故的發生。此設計由自動控制代替人工操作，避免了人的不可靠性，從而盡可能避免事故的發生。

②在真空出口管上再設計一支管，該支管上安裝安全閥，當前一步所采用的措施仍然不足以阻止保險粉的分解時，安全閥打開，自動泄壓，并將氣體向安全位置排放。

③在真空出口管上再設計一支管，該支管上安裝爆破片，當前兩步措施仍不足以消除保險粉分解所引起的系統壓力，爆破片爆破，通過該支管繼續泄壓。

④在真空軸上設計一爆破片口，在“四合一”壓力超過一定壓力但小于“四合一”的設計壓力時，該爆破片爆破，系統壓力向氣相管道泄放。

⑤在真空出口管上設計一除塵緩沖罐，便于收集氣相管道中所積聚的保險粉粉塵。

通過以上多級措施，在“四合一”出現保險粉分解，導致壓力升高時，將壓力通過安全系統泄放，從而實現“四合一”生產的本質安全。

5 結語

通過對保險粉保險粉“四合一”干燥器的安全技術改進設計與控制，從本質上解決了“四合一”出現生產異常時可能產生的安全隱患，可最大限度地避免安全爆炸事故的發生。