引言

原料藥工廠中普遍使用易燃易爆的有機(jī)溶媒作為溶劑,生產(chǎn)過程中常見的操作,如管道運(yùn)輸、固體投料、過濾、攪拌等都可能產(chǎn)生靜電積累,造成靜電釋放,導(dǎo)致爆炸事故。

目前,原料藥車間的理念處于由手動(dòng)控制轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制的過渡階段,大量操作需要人工干預(yù)。為了保證人員和產(chǎn)品安全,有必要從本質(zhì)上消除爆炸危險(xiǎn)源,因此,氮?dú)庀到y(tǒng)的使用成為安全生產(chǎn)的重要保障。

隨著氣流輸送等新型生產(chǎn)方式的出現(xiàn),氮?dú)庀到y(tǒng)的功能性逐漸擴(kuò)展,各組成部分也引入了一些新的做法。

1氮?dú)獗Ｗo(hù)的原因

產(chǎn)生燃燒的3個(gè)基本要素為可燃物、點(diǎn)火源和助燃劑,消除三要素中的任意一個(gè),即可保證本質(zhì)安全。

對(duì)于原料藥生產(chǎn)過程,作為可燃物的原料、中間體和溶劑必不可少。

助燃劑一般為氧氣,可通過稀有氣體置換降低濃度。

點(diǎn)火源通常為由有機(jī)溶媒或粉塵摩擦引起的靜電火花。藥廠常用各種措施來預(yù)防靜電,如設(shè)備良好的靜電接地、進(jìn)車間前的導(dǎo)靜電柱等,但這些措施只能降低靜電發(fā)生的概率,并不能完全消除靜電,尤其是溶媒和粉塵產(chǎn)生的靜電。

1.1溶媒靜電

靜電釋放是電子發(fā)生轉(zhuǎn)移且不能及時(shí)返回,累計(jì)到一定量后,帶電體間的電勢差大于空氣的擊穿電勢所形成的一種現(xiàn)象。先決條件是靜電積累,即靜電產(chǎn)生的速度大于靜電導(dǎo)除的速度。對(duì)于溶劑,流速越快,靜電產(chǎn)生的速度越快。靜電導(dǎo)除的速度與設(shè)備靜電接地狀態(tài)和溶劑電導(dǎo)率有關(guān),接地效果好或溶劑電導(dǎo)率高都有助于提升靜電的導(dǎo)除速度。

靜電接地效果與設(shè)備本體材質(zhì)有關(guān)。藥廠中常用的設(shè)備材質(zhì)有不銹鋼、碳鋼、搪玻璃、PP、襯塑等。其中不銹鋼或碳鋼導(dǎo)電性良好,易實(shí)現(xiàn)靜電接地:搪玻璃、PP、襯塑的設(shè)備導(dǎo)電性差,只能通過石墨墊片或耐腐蝕金屬墊片實(shí)現(xiàn)接地,接地效果不理想。即使全部使用導(dǎo)電性良好的碳鋼或不銹鋼設(shè)備,靜電導(dǎo)除的速度還受可燃溶媒電導(dǎo)率的制約。

以藥廠中常用的有機(jī)溶媒乙醇和甲苯為例,乙醇的電導(dǎo)率為1.35×105ps/m,屬導(dǎo)電性流體,電子在其中傳遞速度快,易將產(chǎn)生的靜電導(dǎo)除,而甲苯的電導(dǎo)率為1ps/m,屬非導(dǎo)電性流體,靜電導(dǎo)除速度非常慢[1]。像甲苯這類非導(dǎo)電性流體,如不采取除靜電接地以外的其他措施,生產(chǎn)中仍存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

1.2粉塵靜電

除溶劑外,粉狀固體(以下簡稱"粉體")也是藥廠中常引起靜電爆炸的物質(zhì)。粉體在投料和管道輸送中都非常容易發(fā)生靜電釋放現(xiàn)象。一般的粉體具有分散性和懸浮性兩種特性。分散性使粉體具有更大的表面積,更容易與其他物體接觸,產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移:懸浮性使部分帶電荷的粉體處于絕緣狀態(tài),無法導(dǎo)除靜電。相較于溶劑,粉體的靜電更難導(dǎo)除,發(fā)生靜電釋放不可避免。點(diǎn)燃粉體所需的最小能量稱為粉體的"最小點(diǎn)火能",當(dāng)靜電釋放的能量超過了"最小點(diǎn)火能",就會(huì)引起粉體云燃燒爆炸。

藥廠中的可燃溶媒和粉體是無法避免的,通過消除靜電點(diǎn)火源來避免燃燒并不可靠。與之相比,控制助燃劑(通常為氧氣)是更科學(xué)的方法。表1為常用溶劑不發(fā)生爆炸時(shí)氧含量的安全限值。二氧化碳和氮?dú)獾葰怏w性質(zhì)穩(wěn)定,不支持燃燒,其中氮?dú)庖虺杀镜?、易制備、不參與反應(yīng)等原因在實(shí)際生產(chǎn)中使用較多。

從表1中可以看出,大部分可燃溶媒氧含量安全限值在8%~11%(體積分?jǐn)?shù)),可以理解為,若將設(shè)備內(nèi)氣相空間的氧含量控制在8%以內(nèi),就可保證大多數(shù)可燃溶媒不發(fā)生燃燒。如離心機(jī)廠家通常將離心機(jī)內(nèi)氧含量安全值設(shè)置為4%~6%,就是依據(jù)此原理。

對(duì)于粉體,有研究表明,粉體的最小點(diǎn)火能與環(huán)境氧含量成負(fù)相關(guān)關(guān)系,氧含量減小時(shí),粉體的最小點(diǎn)火能會(huì)相應(yīng)增大。對(duì)于大多數(shù)粉塵云,當(dāng)氧含量低于10%的時(shí)候,即使用很強(qiáng)的點(diǎn)火源(104J)也不能將其點(diǎn)燃。所以,對(duì)于絕大多數(shù)可燃溶劑和粉體,將其處于氧含量低的環(huán)境下是保證不發(fā)生燃燒爆炸的本質(zhì)安全措施。在實(shí)際生產(chǎn)中,降低氧含量的方式是氮?dú)庵脫Q,有正壓置換和抽真空置換等多種方式,都需要用到氮?dú)庀到y(tǒng)。

2氮?dú)庀到y(tǒng)的分類

由于大量可燃溶媒的使用,原料藥工廠普遍采用石化行業(yè)成熟的氮封系統(tǒng)。而藥廠有著與石化行業(yè)不同的設(shè)備、工藝和規(guī)模,氮?dú)庀到y(tǒng)不僅限于氮封系統(tǒng),還兼顧著壓料、輸送等功能?，F(xiàn)代化原料藥工廠的氮?dú)庀到y(tǒng)可根據(jù)氮?dú)鈮毫Φ牟煌致缘胤譃榈蛪汉透邏簝煞N。

2.l低壓氮?dú)庀到y(tǒng)

石化行業(yè)的氮封壓力通常為0.5~1kPa,醫(yī)藥行業(yè)尤其是原料藥行業(yè)的氮封一般設(shè)置更高的壓力(小于0.1MPa)。

一方面,原料藥所用的設(shè)備體積小,基本上都可將設(shè)計(jì)壓力做到0.1MPa,在硬件上能承受更高的氮封壓力。

另一方面,車間內(nèi)通常多使用點(diǎn)共用一套減壓閥組,相對(duì)高壓的氮?dú)饪商峁└蟮牧髁俊?

此外,氮封氣有時(shí)還作為設(shè)備"破真空"的補(bǔ)氣,氮?dú)庑枨罅亢艽?采用過低壓力的氮?dú)鈺?huì)延長此過程的時(shí)間,同時(shí)搶走其他氮?dú)馐褂命c(diǎn)的流量。

有些廠家將氮封系統(tǒng)集成在一個(gè)密閉設(shè)備內(nèi),同時(shí)配備氮封和快速補(bǔ)氮的功能,當(dāng)?shù)鈿饬髁烤o張時(shí)開啟快速補(bǔ)氮,是值得推廣的做法。

2.2高壓氮?dú)庀到y(tǒng)

一般設(shè)置0.2~0.3MPa的高壓氮?dú)庀到y(tǒng),使用的工況有以下幾種:

2.2.1壓料

高壓氮?dú)饪捎糜趯?shí)現(xiàn)釜與釜間的物料轉(zhuǎn)移,當(dāng)釜后接過濾器時(shí),高壓氮?dú)庖部商峁┪锪贤ㄟ^過濾器的動(dòng)力。

2.2.2置換

離心機(jī)在使用前需置換轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的空氣,含氧量降低到設(shè)定值時(shí)才可進(jìn)料。置換時(shí)間通常小于5min,需使用0.2MPa壓力以上的氮?dú)庠础?

2.2.3夾套壓回

乙二醇水溶液和冰河冷媒作為新型換熱介質(zhì)已被廣泛應(yīng)用在原料藥車間,乙二醇水溶液的溫度可設(shè)定在-15~120℃。通常設(shè)置一路冷媒、一路熱媒。當(dāng)冷熱媒溫差較大時(shí),為保護(hù)設(shè)備(搪玻璃反應(yīng)釜的夾套可承受的溫差變化約為100℃)和節(jié)約能耗,切換冷熱媒時(shí),常用高壓氮?dú)鈱⑵渲幸环N壓回,再通入另一種乙二醇。注意此處不可使用壓縮空氣,高溫的乙二醇遇空氣會(huì)氧化變質(zhì)。

2.2.4粉體輸送

粉體的氣力輸送是利用氣體為載體,在管道或容器中輸送粉體物料的一種方法。藥廠中物料種類復(fù)雜,多數(shù)具有爆炸危險(xiǎn)性,也有些物料易被氧化,故常選用高壓氮?dú)庾鳛闅怏w載體來保護(hù)物料。閉環(huán)式氣力輸送方式是較為經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的粉體輸送方式,此過程中需注意氮?dú)鈮翰钇胶夂妥詣?dòng)排堵的實(shí)現(xiàn)。

3氮?dú)庀到y(tǒng)的組成

原料藥車間的氮?dú)庀到y(tǒng)一般由以下四部分組成:制氮機(jī)、氮?dú)饩彌_罐、氮?dú)鉁p壓閥組、氮?dú)饪刂崎y組。氮?dú)庀到y(tǒng)示意圖如圖1所示。

3.1制氮機(jī)

醫(yī)藥行業(yè)中的氮?dú)庥?種來源:鋼瓶氮?dú)夤?、液氮?dú)饣狻⒆儔何绞街频獧C(jī)供氣。鋼瓶供氮和液氮?dú)饣捎跉饬?、成本等各種原因不具優(yōu)勢:而變壓吸附式制氮機(jī)成本低、自動(dòng)化程度高,是藥廠最廣泛使用的制氮方式。

3.2氮?dú)饩彌_罐

緩沖罐是工廠氮?dú)夤芫W(wǎng)所必需的,能在氮?dú)馍a(chǎn)裝置停工或氮?dú)鈮嚎s機(jī)故障時(shí),確保氮?dú)夤芫W(wǎng)的正常運(yùn)作,常見為0.6~0.8MPa緩沖罐。當(dāng)廠區(qū)有多個(gè)車間時(shí),一般在廠區(qū)動(dòng)力站集中設(shè)置空壓一制氮機(jī)。制氮機(jī)產(chǎn)生的氮?dú)饨?jīng)外管管道輸送至各個(gè)車間,各車間內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的氮?dú)饩彌_罐。此處的緩沖罐起到平衡各個(gè)車間高峰用氣量的作用。車間內(nèi),由于離心機(jī)用氣量較大(每臺(tái)約0.9Nm3/min),一般為其單獨(dú)設(shè)置緩沖罐。氮?dú)饩彌_罐的壓力與廠區(qū)管網(wǎng)的壓力應(yīng)相同。

3.3氮?dú)鉁p壓閥組

變壓吸附式制氮機(jī)產(chǎn)出的氮?dú)鈮毫?.6~0.8MPa,高于工藝需求的壓力,需減壓。除非特定區(qū)域,一般的低壓氮?dú)饩W(wǎng)由緩沖罐經(jīng)減壓調(diào)節(jié)閥供給。氮?dú)鉁p壓閥可采用控制閥或自力式調(diào)節(jié)閥。

控制閥以外界電能或壓縮空氣源作為驅(qū)動(dòng)力,通過壓力傳送儀表信號(hào)改變閥內(nèi)截留件相對(duì)位置,從而實(shí)現(xiàn)改變氮?dú)鈮毫Φ淖饔?自力式調(diào)節(jié)閥無須外部能源,只依靠氮?dú)獾哪芰孔孕胁僮鳒p壓并能保持氮?dú)鈮毫Φ暮愣ā？刂崎y精度比自力式調(diào)節(jié)閥高,但所需硬件成本也更大。兩者相比較,優(yōu)先選用自力式調(diào)節(jié)閥。自力式調(diào)節(jié)閥有多種,用于氮?dú)鉁p壓工況的可選取自力式壓力調(diào)節(jié)閥或自力式差壓調(diào)節(jié)閥(閥前壓力穩(wěn)定時(shí)可選),選用自力式壓力調(diào)節(jié)閥作為減壓閥時(shí)需閥后取壓。根據(jù)作用型式的不同,自力式壓力調(diào)節(jié)閥可以分為直接作用式和指揮器操作式兩種。指揮器操作式控制精度高,允許偏差在±4%左右,比直接作用式高一倍左右。當(dāng)閥后壓力小于15kPa時(shí),優(yōu)先選用帶指揮器的自力式壓力調(diào)節(jié)閥:反之,可選用直接作用式壓力調(diào)節(jié)閥。

3.4氮?dú)饪刂崎y組

氮?dú)饪刂崎y組的主要作用是將設(shè)備內(nèi)的氮?dú)鈮毫刂圃谠O(shè)定值,并盡可能減少氮?dú)庖萆ⅰｋS著自動(dòng)化要求的不斷提高,原料藥車間氮?dú)庀到y(tǒng)的控制閥組也不斷發(fā)生著變化,其從簡易到復(fù)雜可分為以下幾種:

3.4.1微開啟式止回閥

早期的氮封系統(tǒng)使用止回閥作為氮?dú)獾目刂崎y。為防止設(shè)備內(nèi)的氣體反竄到氮?dú)庀到y(tǒng)內(nèi),進(jìn)入設(shè)備低壓氮?dú)夤艿郎蠒?huì)設(shè)置微開啟式止回閥,設(shè)定壓力稍低于氮封氣壓力。如低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)的壓力為5kPa,此處微開啟式止回閥的開啟壓力一般設(shè)為2kPa。設(shè)備排氣管道上同樣設(shè)置微開啟式止回閥,開啟壓力設(shè)置為3kPa。微開啟式止回閥通常選用旋啟式止回閥。止回閥價(jià)格低,但其密封面易磨損,極易內(nèi)漏,損失氮?dú)?只適合小規(guī)模生產(chǎn)車間,且對(duì)物料揮發(fā)和氮?dú)庀牧恳蟛粐?yán)格的工況。

3.4.2單向呼吸閥

有些藥廠選用單向呼吸閥作為排氣管路上的壓力控制閥門。單向呼吸閥的原理與止回閥相似,壓力可設(shè)定為3~5kPa。當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí),單呼閥開啟,排出氣體:壓力下降到設(shè)定值以下時(shí),單呼閥關(guān)閉,鎖住氮?dú)?。單呼閥精度低,也存在氮?dú)庖仔孤┑娜秉c(diǎn)。

3.4.3自力式調(diào)節(jié)閥

自力式壓力調(diào)節(jié)閥不僅可以作為氮?dú)鉁p壓閥,也可作為排氣的控制閥。不同的是,作為減壓閥時(shí),自力式調(diào)節(jié)閥選擇閥后取壓,而作為排氣閥時(shí),應(yīng)閥前或閥內(nèi)取壓。自力式壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度較止回閥和單呼閥高,不易泄漏,但價(jià)格較高,大規(guī)模使用時(shí)需考慮投資成本。

3.4.4控制閥

在反應(yīng)釜的排氣管路上,以上3種閥門前端需增加手動(dòng)切斷閥來保證壓料時(shí)氮?dú)獠粫?huì)從排氣管道中排出,而使用控制閥就可避免這個(gè)問題?？刂崎y相對(duì)于自力式調(diào)節(jié)閥精度更高,但需配備氣源管線和電纜,而且可靠的閥門價(jià)格相當(dāng)高。

對(duì)于以上4類閥門,可根據(jù)實(shí)際投資和廠房規(guī)模綜合考慮選擇。

4結(jié)語

本文對(duì)原料藥車間氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)置的原因、分類、組成以及閥門選擇進(jìn)行了闡述,可供當(dāng)下原料藥車間氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)參考。隨著安全要求的提高、新型技術(shù)和設(shè)備逐漸投入使用,氮?dú)庀到y(tǒng)也會(huì)更新?lián)Q代,期待今后能出現(xiàn)自動(dòng)化程度更高、更安全節(jié)能的氮?dú)庀到y(tǒng)。