劉暢

(湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430073)

在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,涉及的物料品種繁多,對(duì)使用物料的物理形態(tài)進(jìn)行分類(lèi),主要分為固體和液體,將固體物料加入反應(yīng)釜等設(shè)備是所有使用固體物料生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的必須過(guò)程。由于精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模小、間歇式生產(chǎn)的特點(diǎn),前些年設(shè)計(jì)的很多精細(xì)化工企業(yè)反應(yīng)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(yīng)釜。隨著國(guó)家法律法規(guī)對(duì)企業(yè)安全、環(huán)保、職業(yè)健康的要求越來(lái)越高,近些年來(lái),采用機(jī)械化密閉式固體投料方式已逐步得到企業(yè)的重視,雖然機(jī)械化、密閉化、自動(dòng)化的固體投料方式在新近建設(shè)的很多精細(xì)化工項(xiàng)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(xì)化工絕大多數(shù)產(chǎn)品使用的物料大都具有易燃易爆、有毒有害等危險(xiǎn)特性,由于不同產(chǎn)品涉及的化學(xué)反應(yīng)工藝條件、使用物料危險(xiǎn)特性不同,采用投料方式也不同,有些反應(yīng)需在反應(yīng)過(guò)程中分批、定量地加入固體物料,有些反應(yīng)需控制固體加料速度等,以致固體投料時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)和危害性也不同,這就需要進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)時(shí)選擇不同的固體投料方式,盡量減小或消除所存在的風(fēng)險(xiǎn)和危害性。

1 敞口式人工直接固體加料方式的風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)到反應(yīng)釜旁或者是投料平臺(tái),解開(kāi)包裝袋封口線,打開(kāi)反應(yīng)釜投料孔,通過(guò)投料漏斗,將固體物料人工投入反應(yīng)釜。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

在反應(yīng)釜已投入易揮發(fā)且易燃易爆液體物料的情況下,從反應(yīng)釜投料口人工直接投入有機(jī)固體粉料,由于有機(jī)固體粉料的包裝袋為塑料制成,塑料的絕緣性好,有機(jī)固體粉料與塑料包裝袋的摩擦極易產(chǎn)生靜電;投料時(shí)有機(jī)固體粉料向反應(yīng)釜內(nèi)流動(dòng),粉料之間摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電。當(dāng)反應(yīng)釜投料口附近揮發(fā)的易燃易爆氣體在空氣中所占比例達(dá)到爆炸極限時(shí),靜電放電形成火花的能量達(dá)到反應(yīng)釜投料口混合氣體最小點(diǎn)火能量時(shí),可引燃?xì)怏w,致使投料口處發(fā)生閃爆[1]。事實(shí)上,很多企業(yè)也發(fā)生過(guò)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(duì)遇濕易燃、遇濕易分解產(chǎn)生有毒氣體的固體物料,投料時(shí)更是存在發(fā)生火災(zāi)爆炸、人員中毒的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 危害分析

采取敞口式人工直接固體加料方式向反應(yīng)釜投入固體物料時(shí),所產(chǎn)生的粉塵較多,生產(chǎn)車(chē)間作業(yè)環(huán)境污染較大,勞動(dòng)強(qiáng)度大,操作人員如若長(zhǎng)期吸入粉塵,易產(chǎn)生職業(yè)健康危害。為了保護(hù)作業(yè)人員的身體健康,國(guó)家對(duì)作業(yè)場(chǎng)所粉塵允許濃度有嚴(yán)格的規(guī)定[2]。

2 固體投料裝置的選擇

在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,固體投料裝置常用類(lèi)型主要是斗式投料裝置[3],諸如螺旋式等投料裝置也有應(yīng)用。通常固體投料裝置主要由料倉(cāng)、加料器、除塵系統(tǒng)、計(jì)量控制系統(tǒng)組成。固體物料進(jìn)入料倉(cāng)的方式除了用人工加入外,主要有負(fù)壓輸送、正壓輸送等方式。雖然固體物料的氣力輸送在國(guó)內(nèi)不同行業(yè)已成功應(yīng)用了幾十年,但應(yīng)用到精細(xì)化工行業(yè)固體投料裝置只是在近些年才真正得到逐步推廣應(yīng)用[4],究其原因還是國(guó)家對(duì)化工企業(yè)安全、環(huán)保、職業(yè)健康及提高自動(dòng)化控制水平的嚴(yán)格要求所致[5-6]。負(fù)壓輸送是利用輸送系統(tǒng)終端抽風(fēng)設(shè)備抽吸系統(tǒng)內(nèi)空氣,形成低于大氣壓的負(fù)壓氣流,固體物料和空氣從吸嘴一起進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi),進(jìn)入料倉(cāng),氣流經(jīng)過(guò)濾且與固體粉塵分離后排放;正壓輸送是輸送系統(tǒng)起點(diǎn)的送風(fēng)設(shè)備,將高于大氣壓的氣體送入系統(tǒng)中,固體物料隨正壓氣流一起進(jìn)入料倉(cāng),氣流經(jīng)過(guò)濾且與固體粉塵分離后排放[7-8]。目前國(guó)內(nèi)眾多設(shè)備制造廠家推出了不同的負(fù)壓輸送和正壓輸送固體投料裝置及自控方案。

選擇精細(xì)化工反應(yīng)釜固體投料裝置,需綜合考慮反應(yīng)釜一次投料量、物料危險(xiǎn)特性、固體輸送系統(tǒng)、工藝要求的固體物料進(jìn)料時(shí)間、自動(dòng)控制要求等因素后才能最終確定。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和精細(xì)化工企業(yè)現(xiàn)狀,以下就反應(yīng)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(xì)小的固體投料裝置

2007年3月,浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司針對(duì)精細(xì)化工行業(yè)間歇投料且每批投料量小的特點(diǎn),提出了一種固體投料裝置的設(shè)計(jì)方法[9],介紹了加料倉(cāng)、引風(fēng)罩、除塵器及引風(fēng)機(jī)等設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)選取的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),并對(duì)固體物料計(jì)量和控制作了說(shuō)明。投料裝置的料倉(cāng)、引風(fēng)罩、加料口采用一體設(shè)計(jì),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(guò)提升機(jī)將裝有固體物料的包裝袋送至倒料平臺(tái),人工拆除包裝袋封口線后,加入料倉(cāng)。通常料倉(cāng)的容積設(shè)計(jì)為一次投入反應(yīng)釜固體物料量,約占料倉(cāng)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(cāng)時(shí),固體揚(yáng)塵危害投料人員。料倉(cāng)加料時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī),產(chǎn)生的粉塵經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)、袋式過(guò)濾器除塵后,排放的氣體達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。料倉(cāng)加到足夠一次投入反應(yīng)釜固體物料量后,開(kāi)啟料倉(cāng)底部自動(dòng)切斷閥,自動(dòng)切斷閥與料倉(cāng)形成聯(lián)鎖。自動(dòng)稱重信號(hào)引入總控制室,并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置操作屏。當(dāng)固體物料加入反應(yīng)釜的用量達(dá)到工藝要求的設(shè)置值時(shí),料倉(cāng)底部自動(dòng)切斷閥關(guān)閉,固體投料作業(yè)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(wěn)定、吸濕性不強(qiáng)的單釜投料,且反應(yīng)釜內(nèi)已投入的液體物料不產(chǎn)生爆炸性氣體的環(huán)境。

根據(jù)精細(xì)化工行業(yè)不同類(lèi)型的反應(yīng)釜固體投料裝置快速涌現(xiàn)且得到企業(yè)重視的現(xiàn)狀,對(duì)上述裝置提出以下建議:

1)當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)已投入的液體物料可形成爆炸性氣體環(huán)境時(shí),料倉(cāng)需采取通氮?dú)獾拇胧?以氮?dú)庵脫Q掉空氣,避免空氣隨固體物料帶入反應(yīng)釜,防止空氣與反應(yīng)釜內(nèi)液體揮發(fā)產(chǎn)生的易燃易爆氣體混合后達(dá)到爆炸極限,在靜電火花的引發(fā)下發(fā)生閃爆。

2)建議新建和需對(duì)原有固體投料系統(tǒng)改造的精細(xì)化工企業(yè),可對(duì)上述的人工固體投料方式進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)企業(yè)具體情況,設(shè)置與生產(chǎn)車(chē)間隔離的固體物料輸料間,采取負(fù)壓或正壓的方式輸送固體物料。目前,市場(chǎng)上已推出小包裝固體物料自動(dòng)解包設(shè)備,可避免人工解包、倒料操作,通過(guò)負(fù)壓或正壓系統(tǒng)將固體物料輸送至加料倉(cāng),避免了倒料操作產(chǎn)生的粉塵,可將固體物料自動(dòng)解包設(shè)備安裝在固體物料輸料間,實(shí)現(xiàn)無(wú)塵化操作。此方案不僅對(duì)操作人員更安全,能顯著改善生產(chǎn)車(chē)間的作業(yè)環(huán)境,更能進(jìn)一步減少職業(yè)健康危害。不少精細(xì)化工企業(yè)已將負(fù)壓或正壓輸送系統(tǒng)應(yīng)用于反應(yīng)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(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)為了固體物料投料方便,要求固體物料生產(chǎn)廠家采取的一種包裝形式,通常的規(guī)格為每袋500～2 000 kg。反應(yīng)釜噸包固體投料裝置經(jīng)過(guò)多年技術(shù)沉淀和自控方案不斷完善,已獲得精細(xì)化工企業(yè)普遍認(rèn)可,并在反應(yīng)釜固體投料中逐步應(yīng)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(yù)先準(zhǔn)備好的噸包袋用電動(dòng)葫蘆吊起,放置在噸包袋支架上,通過(guò)手孔將噸包袋下端出料口上預(yù)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(kāi)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(cāng),料倉(cāng)的容積可設(shè)計(jì)成足夠容納反應(yīng)釜一次投料量,也可設(shè)計(jì)成足夠容納一個(gè)噸包袋固體物料的容積。打開(kāi)料倉(cāng)底部自控切斷閥,將固體物料加入反應(yīng)釜。當(dāng)噸包物料投料完畢需更換下一包待投物料時(shí),關(guān)閉自控切斷閥,開(kāi)啟抽風(fēng)系統(tǒng),松開(kāi)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(fù)上述操作。卸下空的噸包袋產(chǎn)生的少量粉塵,可通過(guò)抽風(fēng)管將粉塵吸入,經(jīng)濾筒式除塵器除塵后達(dá)標(biāo)排放。料倉(cāng)設(shè)有稱重系統(tǒng),并與自控切斷閥聯(lián)鎖,信號(hào)傳至總控制室,并設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)控制屏,當(dāng)投到反應(yīng)釜的固體物料的重量達(dá)到設(shè)定值時(shí),自動(dòng)關(guān)閉自控切斷閥,完成投料。

以上只是噸包固體投料裝置的簡(jiǎn)單工藝流程示意圖,實(shí)際上一些企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)噸包固體投料裝置做了不少改進(jìn)[14-15],如采用氮?dú)獗Ｗo(hù)、避免投料時(shí)釜內(nèi)蒸汽導(dǎo)致投料管道堵塞的氮?dú)獯祾?、?jì)量控制系統(tǒng)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(xì)化工企業(yè)。

2.3 螺轉(zhuǎn)給料固體投料裝置

螺旋給料機(jī)是一種集物料輸送、計(jì)量和定量控制為一體的輸送設(shè)備,幾乎應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè),可輸送粉末、顆粒、小塊狀物料。由于螺旋給料機(jī)不僅能夠輸送物料,同時(shí)能夠完成計(jì)量和控制給料的特性,因此成功地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥行業(yè)粉狀物料輸送及配料、醫(yī)藥片劑配料等場(chǎng)景,在精細(xì)化工反應(yīng)釜固體投料方面也得到廣泛應(yīng)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(cāng),需要加料時(shí),打開(kāi)反應(yīng)釜上的下料閥,然后開(kāi)啟螺旋給料機(jī),根據(jù)工藝要求的加料速度向反應(yīng)釜給料。通常反應(yīng)釜內(nèi)已加入液體物料,固體加入反應(yīng)釜后即與液體物料發(fā)生反應(yīng)并放熱,可將反應(yīng)釜的溫度與螺旋給料機(jī)的變頻電機(jī)實(shí)行聯(lián)鎖調(diào)節(jié)。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)物料溫度高時(shí),將變頻電機(jī)調(diào)低轉(zhuǎn)速,固體給料速度也隨之降低,進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)的固體物料量減少,導(dǎo)致放熱量也減小,反之亦然,從而實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)反應(yīng)釜溫度在工藝要求范圍內(nèi)。稱重信號(hào)引入總控制室及現(xiàn)場(chǎng)控制屏,在投料前設(shè)定固體物料的投料值,將稱重與下料閥實(shí)行聯(lián)鎖,當(dāng)固體物料投料量達(dá)到設(shè)定值時(shí),下料閥自動(dòng)關(guān)閉,投料操作完成。

螺旋給料固體投料裝置適合于反應(yīng)溫度控制范圍小,且反應(yīng)放熱較大的精細(xì)化工反應(yīng)釜的固體投料。一些企業(yè)根據(jù)自身情況,對(duì)螺旋給料固體投料裝置作了相應(yīng)的改進(jìn),如防止反應(yīng)釜物料在反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生大量氣體沿進(jìn)料口直接進(jìn)入螺旋加料機(jī)的改進(jìn)措施等[16-18]。

2.4 特殊危險(xiǎn)性固體物料投料裝置

精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)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(yè)設(shè)計(jì)了專(zhuān)用固體投料裝置,并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際,如高活性固體物料金屬鈉等的投料[19],反應(yīng)過(guò)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(zhì)、方便、安全的投料裝置顯得尤為關(guān)鍵。

3 結(jié)論

在精細(xì)化工生產(chǎn)中,反應(yīng)釜的固體投料是操作單元的重要一環(huán),選擇適合物料危險(xiǎn)性的固體物料投料裝置,對(duì)消除投料時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)、改善作業(yè)環(huán)境、防止產(chǎn)生職業(yè)危害、減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度起著非常重要的作用。