空分設備作為石化、冶金等行業的關鍵生產裝置之一，因其獨特的結構和介質的理化性質，發生爆炸的危險性較高。近年來，由于空分設備制造缺陷和管理不善等原因，已發生多起空分設備的爆炸事故。據不完全統計，全國共發生小型空分設備的爆炸事故100多起，大中型空分設備事故30多起。特別是空分主冷蒸發器中烴類物質超標引發的爆炸，是近年來事故頻發的主要原因，不僅影響了生產裝置的平穩運行，還給企業和國家造成了重大的經濟損失。下面我們將從裝置的實際運行經驗出發，淺談空分裝置主冷蒸發器發生爆炸的機理和防爆措施。
在現代工業生產中，空分設備扮演著不可或缺的角色，然而其爆炸風險也一直是行業內關注的焦點。隨著工業的不斷發展，空分設備的應用越來越廣泛，但隨之而來的安全問題也日益凸顯。了解空分設備爆炸的原因和預防措施，對于保障生產安全、減少經濟損失具有重要意義。
1、空分化學性爆炸機理
1.1主冷凝蒸發器爆炸機理
空分塔的爆炸原因很多，也比較復雜，但基本可分為物理性爆炸和化學性爆炸。從大多數爆炸的實例分析來看，化學性爆炸是主要的。形成化學性爆炸的主要因素有三個方面：一是可燃物，二是助燃物，三是引爆源。在空分設備主冷凝蒸發器中，可燃物主要是乙炔、碳氫化合物或油分等爆炸危險雜質；助燃物為氣態氧、液氧；引爆源主要有：
(1)爆炸性雜質固體微粒相互摩擦或與器壁摩擦；
(2)靜電放電。當液氧中含有少量冰晶、固體二氧化碳時，會產生靜電積累，如果二氧化碳的含量提高到200~300×10 - 4％，所產生的靜電位可達到3000V；
(3)氣波沖擊、流體沖擊或氣蝕現象引起的壓力脈沖，造成局部壓力高而使溫度升高；
(4)化學活性特別強的物質(液氧、氟的氧化物等)存在，使液氧中可燃物質混合物的爆炸敏感性增大。
1.2爆炸源形成條件
空氣中除氧氣、氮氣外，還會有少量的水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其他碳氫化合物等氣體以及少量的塵埃等固體物質，國內大中型分子篩凈化流程清除空氣中水分、二氧化碳和乙炔等雜質的方法多采用吸附法，即利用分子篩或硅膠等作吸附劑把空氣(液空、液氧)中所含的水分、二氧化碳和乙炔等雜質分離出來，濃縮在吸附劑表面上，加熱再生時進行解吸，從而達到凈化的目的。
但由于化工裝置比較集中，如果裝置泄漏量過高或烴類產品直接放空，就會造成空分設備吸入口的碳氫化合物含量超標，對分子篩流程空分裝置，13X分子篩具有孔徑相近的極性分子吸附性強的特點，水分、二氧化碳和乙炔基本上可以在分子篩吸附器中解吸，其他烴如甲烷、乙烷絕大部分隨空氣進入空分塔中，這些物質大部分溶解在液體中，少量隨氧氣的蒸發帶走。當液體中烴的濃度不斷增加，并超過其溶解度時，就會以固體形式析出并聚集，在一定條件下與氧混合形成爆炸源，當引爆因素存在時就會發生化學性爆炸。
大量事實證明，液氧中乙炔的爆炸敏感性最高。因為乙炔在空氣中的分壓很低，即使將空氣冷卻至 - 173℃，乙炔也不會以固態形式析出，它將隨空氣帶入
空分塔內，而乙炔在液空中的溶解度較大，約為20cm3／dm3。因此一般不會在液空中析出，而隨液空進入上塔，乙炔在液氧中的溶解度極低，約為5.2cm3／dm3。當液氧在主冷凝蒸發器中蒸發時，隨氣氧帶走的乙炔量僅為液氧中乙炔總量的1／24左右，這樣隨著液氧的蒸發，液氧中乙炔濃度就不斷增高，當乙炔超其溶解度時，過剩的乙炔就會以白色固體微粒懸浮在液氧中，而乙炔又是不飽和的碳氫化合物，具有很高的化學活潑性，性質極不穩定，這些固體乙炔或其他碳氫化合物顆粒與塔壁及通道壁發生摩擦或液氧沖刷產生壓力脈沖，以及液氧與氟氧化物的促進作用所產生的能量都將可能使空分塔致爆。但在實際生產中有時代液氧中乙炔及其它碳氫化合物并未超標而發生爆炸，這主要是由于冷凝蒸發器的結構不合理，存在某些制造缺陷若因某些通道堵塞和操作不當，造成液氧的局部流動性不好，產生乙炔局部濃縮而發生爆炸。
其他不飽和碳氫化合物也能發生爆炸分解反應，雖然它們在液氧中的溶解度比乙炔高，但由于吸附器對這些碳氫化合物的吸附能力極小，因此也有在液氧中積聚而構成爆炸的可能。大量研究表明，碳氫化合物由于各組分在液氧中的溶解度及化學活性不同，其爆炸敏感性也不同，爆炸敏感性按以下順序遞增：甲烷→乙烷→丁烷→乙烯→丙烯→丁烯→乙炔，可見乙炔的敏感性最高。
2、空分防爆措施
由于空分裝置在運行過程中存在著許多不安全因素和危險性，為確保空分裝置的安全運行，降低烴類物質進入液氧中的可能性，加強監控手段，我們堅持實行“六關”管理。
2.1抓住空氣來源關
空分裝置的原料就是大氣，大氣質量的好壞直接關系著主冷液氧中烴類的變化。我廠空分裝置所處地理位置不好，被三個化工裝置包圍，空氣質量較差，尤其是東北風時能明顯聞到一股有機物氣味，通過液氧的離線、在線分析也可以發現烴類物質的上升趨勢。為此我們采取的措施是：
(1)建立了大氣質量監測，每周分析一次；
(2)設立了風向標，隨時掌握四季風向的變化，遇到東北風時，我們加強監護，及時排放液氧；
(3)由總廠調度室制定了《周邊裝置緊急排放聯系制度》，如有其他裝置不正常排放，及時通知調度，調度再通知車間，加強液氧分析監護；
(4)對相鄰的環氧裝置富含烴類物質的循環氣排放口進行移位，由原來的100米移到165米處。
2.2把住空氣壓縮關
從空分裝置的流程來看，進入分餾塔系統的空氣來源于空壓機系統，在此過程中就不可避免的存在油霧，這些油污是非常危險的，因為液氧中的油污能附著在主冷的翅片上形成油膜，當油膜達到一定厚度時，它將與不飽和烴、氟氧化物和氧氣的混合物在低溫下發生化學反應生成靈敏度較大的可燃物，這些可燃物一旦遇火源就會發生爆炸。另外空氣中的塵埃等雜質被帶入分餾塔中也是危險的，一是它可以在板式換熱器中堵塞；二是進入分餾塔中的固體懸浮在液氧液面上，摩擦產生靜電打火，這就形成了引火源。為了避免這些物質的進入，我們采取以下措施：
(1)在空氣吸入口增加了卷簾過濾器和干式過濾器，濾掉雜質和塵埃，確保空氣干凈；
(2)空壓機軸封采用石棉環密封無油霧，確保空壓機出口空氣不帶油；
(3)空壓機設置了自保聯鎖和在線手動監測系統，可以隨時記錄第一觸發聯鎖點，確保空壓機的正常運行，防止因頻繁開停機而將油污或雜質帶入系統。
2.3加強空氣凈化關
壓縮后送來的無油、干凈的空氣中含有大量水、乙炔、甲烷、二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烯、碳四等物質，這些物質在凈化過程中要盡量清除：水分和二氧化碳帶入冷箱就會造成凍結堵塞；不飽和烴在分子篩中能大部分被吸附，飽和烴不易被吸附就會帶入分餾塔內，為了使這些物質降低到最低程度，我們采取了如下措施：
(1)水洗塔設置了高、低液位聯鎖，防止在除沫器損壞或空壓機異常的情況下，水洗塔的液位失控而使空氣中帶水；
(2)由于在水洗塔中循環直接與空氣接觸，它不但降低了壓縮空氣的溫度，而且通過洗滌可清除掉空氣中的酸性物質，這樣若循環水中存在油類及烴類物質，將會把這些物質帶入系統，為此我們對循環水質每8小時分析一次，確保外界雜質無法進入系統。同時為了防止在總廠的循環水場出現問題時影響空分裝置的正常運行，我們又增設了獨立的循環水場，專供水洗塔使用。
(3)增設了一臺制冷機組，確保空氣出塔溫度由原來的25℃下降到12℃以下，這樣使空氣中含水量大大下降，有效地提高了分子篩對烴類和二氧化碳的吸附能力，出分子篩的空氣中二氧化碳含量基本趨向于零。
(4)根據我們所處環境的實際情況，對分子篩吸附器內13X分子篩和氧化鋁的裝填量進行調整，在確保露點≤ - 70℃的情況下，適當減少氧化鋁量，這樣通過增加分子篩裝填量提高了對烴類及二氧化碳的吸附能力，最大限度地減少烴類及二氧化碳帶入分餾塔中；
(5)分子篩出口設置了二氧化碳在線檢測儀器，隨時檢測空氣中二氧化碳的變化情況，防止因二氧化碳超標引起設備凍結堵塞。離線通過對出分子篩的空氣露點分析，確保水分含量不超標。
2.4強化深冷分離關
空分裝置的最危險點是分餾塔部分，由于分子篩對飽和烴基本不吸附，這樣烴類物質就會帶入塔中，對安全生產造成極大的威脅，為了確保主冷的安全運行，我們采取了以下措施：
(1)主冷凝蒸發器結構設計為防爆型，特殊結構防止烴類析出積聚在翅片的某些部位上，使局部烴類超高。目前，各國通過對主冷爆炸的研究，一致認為由于空分主冷凝蒸發器中液氧的不斷沸騰、蒸發，使可燃物在此濃縮積聚，且摩擦沖擊最強烈，所以容易在主冷中形成爆炸中心，通過采用新型防爆結構，可最大限度地降低其爆炸的可能；
(2)主冷板式單元采用全浸式操作，防止烴類析出發生危險；
(3)增設了1％液氧連續排放，使主冷液氧始終保持部分更新，防止烴類積聚增濃；
(4)增大液氧吸附器的能力，增加其除烴和除極性有機物的能力，并定期按規程進行再生；
(5)設立了在線分析儀，分別對主冷液氧中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙烷、碳四和總烴八個組分進行檢測，各檢測數據每9分鐘循環一次，可隨時監測液氧中烴類的變化；另外離線有直接法和濃縮法兩種形式的色譜分析，做到每8小時分析一次。通過在線、離線直接、離線濃縮三種分析方法對比，更準確地掌握液氧中的烴類動態，確保裝置安全運行。
2.5 樹立產品貯存、輸送安全關
空分裝置不僅生產過程中存在不安全因素，其氣、液產品的貯存、輸送也尤為重要，因為氧氣與可燃氣體能形成爆炸危險的爆炸性氣體，一旦達到了引火引爆所需的能量，就會發生劇烈的、威力巨大的爆炸。當壓力高于29.4×105h的氧氣直接與油污接觸時，就會發生劇烈的氧化反應，并放出大量的熱，由于化學反應速度極快，因而很快就能達到油污的燃點而使油污迅速燃燒，如果燃燒發生在管道、容器中，其溫度會急劇升高，壓力可增大10倍，勢必造成爆炸。而氮氣濃度高時易使人窒息，也是十分危險的。化工企業中氧氣、氮氣又直接與下游裝置的烴類物質接觸，一旦失控則有可能造成返灌，其后果也是十分危險的，去年年底寧夏某化肥廠的空分爆炸事故在這方面也為我們敲響了警鐘。
為此我們采取了以下措施：
(1)對活寨式氧壓機的密封及少油系統定期進行檢驗，確保無油、無泄漏；
(2)氧氣用戶增設了停車嚴密聯鎖系統，通過三個快速切斷閥防止因氧壓機停車而造成烴類氣體的返灌；
(3)氮氣送出管線上設有單向閥和聯鎖快速切斷閥；
(4)對液氧貯槽中的烴類物質堅持每天分析一次，發現超標現象及時進行排放；
(5)高壓氧氣進、出口增設小旁路，避免因壓差過大使流速過快而發生危險。
2.6深化人員培訓關
隨著空分安全技術的不斷完善，管理問題顯得極為重要，只有全面提高操作人員的素質，不斷完善各種管理制度，才能適應裝置變化的需求。為此我們采取了以下措施：
(1)隨著裝置運行條件的變化定期修改《操作規程》，使操作有章可循；
(2)組織編寫了空分裝置技術培訓大綱，定期對人員進行培訓；
(3)操作人員不僅要通過裝置的上崗考核，還必須通過當地勞動出口簽訂的特種工種合格證書方可上崗操作；
(4)堅持每周一次的事故演練，使操作人員對空分裝置存在的各種危險因素牢記在心。
綜上所述，空分裝置特別是主冷凝蒸發器防爆是裝置安全生產的頭等大事，我們要給予高度重視。針對空分裝置主冷凝蒸發器防爆，我們首先要求采取技術措施，控制好液氧中碳氫化合物含量，確保各項指標在所要的控制范圍內；其次是加強對引爆源的控制和增加監測措施，同時加強管理，堵塞泄漏，這樣基本上可消除空分爆炸事故的發生。
