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空分设备的防爆、乙炔和碳氢化合物的净除(上)
空分设备的爆炸是氧气生产申的晟太威胁。据国内85例爆炸事故统计， 空分设备爆炸
部位如图3—53所示。
‘馥 C 、
(a)高 中压流程 (b)双压流程 (c) 垒低压流程
图3-53 对国内85起爆炸统计所得到的空分设备爆炸部位图
符号说明：o一统计到l～2次爆炸部位}0一统计到3～4次爆炸部位，●一统计到5次以上爆炸部位。
1．上塔2．冷凝蒸发器3．下塔4．主热交换器I 5．主热交换器I 6．液空节
流阎7． 乙炔吸附器8．辅助玲凝蒸发器9． 己炔分离器l0．渡氧排放阎11．可
逆式换热器冷段12．可逆式按热器热段13．液氧泵(液氧泵爆炸未记入85次中)
85例化学性爆炸事故中， 高、中压和双压流程占82 ， 垒低压流程占18 ，液氧设备无
爆炸事故。发生爆炸的部位统计， 主冷凝蒸发器46倒， 占54 ， 辅助冷凝蒸发器14％， 主换
热器11 。列管式冷凝蒸发器17例中，底部爆炸10倒，汽、液交界处5倒，顶部2倒。板翅
式冷凝蒸发器爆炸部位是汽、淑交界处。绝大多数爆炸是在塔内：coz较多、阀门经常堵塞，而
操作颓繁、压力波动、 主冷 液面过抵、主冷液面忽高忽低、气流冲击等情况下发生。爆炸部位
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· 42· 深冷技术 总第140期
大多数在富氧液休或液氧蒸发区域， 由于液体蒸发使各种危险杂质浓缩或析出，加上剧烈脉
冲与摩擦等， 就引起爆炸。
形成爆炸的因素有三个方面，可爆炸的危险杂质(即可燃物)，液氧(即助燃物)，一定能
量的日I爆源。
一
， 空分设备中危脸杂质墨其性质
空分设备中可爆炸韵危险杂质主要是大气申的碳氢化合物，’它们随原料空气进入空分设
备内。工业区大气中碳氢化舍物含量如表3—1O所示。
表3—10 大气中碳氢化舍物的含量
成 分 甲烷 已 烷 乙 烯 乙 炔 丙 烷 丙烯 正丁烷J异丁烷 正虎蟪 异戊抗
大气中的敢度 l 0 01～0
． 5 0 01～ 0．5 O 01～ 0．1 0．01～ 0．5 0～0 1 0．01～ 1l 0．01～ [ppm ] 0．1 0～ O 2 a～ O 2
大气中一些碳氢化舍物的特性数据如表3—1l所示。
表3—1l 空气中一些碳氢化台物的特性数据
成 分 分子式 标沸准赢压温力度下 三祖点 日口K 女 l 盎鍪 饱和蒸汽压mmHg
(K) (K) ‘k暑，m0) (ppm) 90K 1OOK
甲 烷 CH‘ I11．7 90 5 0．45 980000 75．9
乙 摄 C：HB 184．5 89．9 0．65 215000 6 9×10‘ 7．1×10‘{
乙 烯 C=H‘ 169．5 104 O．727 275O0 2 6×10’2 3 1x10—1
己 炔 C2H 2 l89．1 l91．7 O．79 5．2 1^x1日 ‘ 2．7x10‘}
丙 烷 CaH日 231．1 85．5 O 73 50000 1 1×10 2．3×10‘‘
丙 烯 C3H日 225．5 8'7．9 O 775 67．00 2 2×10 4． 2× 10’●
正r 烷 C{H1 0 272．7 134．B O 77 550 2 5x10 9 2×10‘7
T 擗一1 C。H日 255．9 8'7．B ～O．8 1000 2．7×10‘0 1．1×10‘●
虽然碳氢化合物在原料空气中含量甚微，但是在低温条件下，仍有可能超过其饱和蒸汽
压从原料空气中析出。在主换热器的低温区域， 丁烯、丁烷将析出，丙烷、丙烯和乙炔则视
它们在大气中的含量而定。
碳氢化合物随原料空气进入空分塔， 在下塔浓集于液空内，最后进入冷凝蒸发器液氧申，
在上塔顶部的氮气中含烃量甚微。硪氢化含物在气氧和液氧中分布取决于t① 它们在液氧中
的溶解度'②它们的平衡常数五=x／u(烃在液相中含量与气相中含量之比)，见表3一l7
甲烷在90K时五=3．5，且在液氧中溶解度大， 因而进入“主冷 的甲烷可随蒸发的气氧逸
出，不会在液氧中积聚。其它碳氢化合物，平衡常数大，浓集于液氧·内，液氧蒸发时随蒸发
的气氧逸出少， 残存于液氧内。
碳氢化舍物在空分塔内爆炸可以有如下两种情况；①不饱和碳氢化合物发生分解反应，
分解反应可在无氧状态下发生，③碳氢化合物与氧发生氧化反应。
如果某种碳氢化合物在液氧或液空中的溶解度高，不发生析出， 其危险能就小。如乙烯
丙烯均能发生分解反应，但是它们在液氧中溶解度太，原料空气中含量不足使它们在液氧中
析出， 它们的危险性就小。
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1 9 9 0年第4期 深冷技术 I 43 I
1． 各种碳氢化合物的相对危险性
各种碳氢化合物的相对危险性可以从两方面估价t它们在冷凝蒸发器内积聚的可能性|
它们在空分设备状态下的化学稳定性。
溶解度小，蒸汽压低的杂质易于在冷凝
蒸发器液氧内积聚到危险极限， 它的危险性
就大。
各种碳氢化合物的化学稳定性取决于它
的爆炸下限， 爆炸敏感性。爆炸下限低， 爆
炸敏感性高者其危险性就太。一般规律是相
对危险性随碳原子数的增加而增加，相等碳
原子数的碳氢化台物，不饱和度增加其相对
危险性亦增加。
各种碳氢化台物在气氧和液氧内爆炸下
限如表3— 12所示。
爆炸棍音物
危险杂质在气氧和液氧
内的爆炸下限
危险杂质在液 爆炸下限
氧内所呈状卷 气 蜜 ： 窘
各种碳氢化合物在液氧内的爆炸敏感性依下列次序增加： 甲烷一丙烷一丁烷一丁烯一乙
烯一丙烯一乙炔。
2． 各种碳氢化合物中乙炔的枷理化学特性袭定7它是最易爆炸的危险杂质
乙炔在大气中含量为0．01～0．1 ppm， 在乙蚨站，焊接工场附近可达3 ppm。它的凝固
点是一83．6℃， 在不同温度下乙炔的溶解度和蒸汽压如图3—54， 图3—55所示。
图3—54 乙炔在液氧， 液氮中的溶解度 图3—55 乙炔的蒸汽压
乙炔在液空中溶解度约为20ppm， 所以乙炔一般不会在液空中析出。乙炔在液氧中溶解
度为5．2ppm， 过剩的乙炔呈白色固体微粒悬浮在液氧中。
主冷 中平衡状态下液氧与气氧中乙炔数量之比为20：l左右(与温度有关)，即进入“主
冷 的乙炔随气氧逸出的数量很少。如果不设置净除设备， 当原料空气中乙炔含量大于0．037
ppm 时，“主冷”内就会产生固体乙炔，原料空气中乙炔含量为0．12 ppm时， 经过10．1小时
“主冷 内出现圆体乙炔。
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·44- 滚冷技术 总第14O期
乙炔是三链的不饱和碳氢化台物， 它的化学性质不稳定而且活泼。乙炔最易产生分解反
应， 其反应式如下t
C2H2(固态)—÷2C+H2+51．6 kcal／kmol
固态乙炔进行分解反应过程时具有以下特征t
爆炸热量 2000 kcal／kg 爆炸温度 2600~(3
形成气体的体积0．86 m。／kg 爆轰速度 2500 m／s
乙决在氧中爆炸分解时，碳和氢与氧发生氧化反应加剧了爆炸的破坏力
乙快一液氧混台物的爆炸敏感性大。
液空、液氧中的CO。结晶有吸附乙炔的特性， 吸附量可达l％(重量)。吸附乙炔后的
COz晶体， 由于积聚的乙快量多，具很大的危险性。
从上可知， 乙 是最危险的杂质，对于它在空分设备中各处的分布应予以充分的重视。
另外， 空压机气缸油的裂解物和油蒸汽可能会进入空分塔内， 当容器整个容积内积聚足
够数量浸透液氧的油时才会形成液氧炸药， 这种情况是少见的。液氧与油混合物爆炸敏感性
低， 但是乙炔爆炸能引起这种可爆系统爆炸。
二， 主冷凝蒸发器内危陵杂质的积聚情况
原料空气中危险杂质最终均随气流进入“主冷”内，并在此内积聚， 所以空分设备爆炸常
常发生于 主冷 内。
碳氢化合物在液氧中状态可以是单相溶液状态，也可以是结晶悬浮． 溶胶状和传热面上
沉淀。悬浮状、溶胶状的碳氢化合物是粘附在传热面上，溶解于液氧中碳氢化台物在液氧蒸
发时沉淀在传热面上， 这种沉淀屠造成大量乙炔的局部积聚， 也许此时液氧中乙炔含量是远
离饱和状态。沉淀层不易溶解，沉淀层达20N5o微米时，传热面上形成爆炸条件。
危险杂质在传热面上的多相积聚过程强度与时间、单位热负荷、液氧中碳氢化台物浓度
成正比。更重要的是液氧相对于蒸发表面的流动速度，液氧蒸发时杂质沉淀于传热面上是不
可避免的， 但是液氧运动速度大，会强化沉淀物的溶解和冲蚀过程， 使沉淀层不会形成。对
于一定的热负荷和杂质浓度存在着一个最小的运动速度， 如果液氧的运动速度大于最小运动
速度， 则传热面上不会有危险杂质的沉淀产生。
对于液氧在管内蒸发的“主冷 ， 运行中影响液氧在传热面上运动速度的主要因素是液氧
液面高度。液氧液面高， 液氧运动速度大。因此从防爆角度，对于板翅式主冷凝蒸发器，液
氧液面处于lOO％ 冷凝蒸发器高度时为最佳液面高度。
防止液氧通道堵塞。进入“主冷 的固体COz和硅胶粉末等能在某些液氧通道内积聚甚至
堵塞，由于增加了液氧流动阻力，降低了该通道中液氧流动速度，因此减少进入“主冷 中COL、
硅胶粉末等杂质是重要的。力求使液氧中COz含量处于溶解度以内，即小于6 ppm。 注意
在液氧通道内， 由于液氧蒸发，使CO：浓度增加，仍有COz晶体析出的可箭。板翅式冷凝
蒸发器液氧通道采用打孔翅片，对防止堵塞是有利的。
不管是什么原因， 致使液氧通道内液氧停止循环， 称之“千蒸发 由于碳氢化合物在该
通道内不断增浓，是危险的，应力求避免“干蒸发 。
进出“主冷”液氧管道位置的布置，会影响碳氢化合物在 主冷”液氧内均匀分布，局部地
区会增多。
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I 9 9 0年第4期 深冷披术 ·45·
三、空分设备中的引爆源
1． 压力脉冲。包括由气波冲击、液体冲击 1气蚀现象所0i起的H功脉冲等。
2． 危险杂质固体微粒相互间摩擦或与塔、器壁间的摩擦。
3． 静电放电。由于液氧的单位电阻值较大， 因而易产生静电积聚现象 液氧静电积聚
程度，很大程度上与其内禽CO：、地O和其他固体粒子量有关。静电场强度取决于固体微粒
在液氧中构运动速度、杂质的数量和性质。资料报道， 液氧中台有200~300 ppm CO 刚，
产生的静电位可达3000伏。
4． 化学反应特别强的物质的存在。主要是臭氧、氮氧化物(NOz、NO和N。0)， 它们
与碳氢化合物起化学反应生成能自燃的化台物，促进碳氢化台物的爆炸。
(待续。下期刊登(五下)之四“宣分设备中的防爆措施”)
空分设备的爆炸是氧气生产申的晟太威胁。据国内85例爆炸事故统计， 空分设备爆炸
部位如图3—53所示。
‘馥 C 、
(a)高 中压流程 (b)双压流程 (c) 垒低压流程
图3-53 对国内85起爆炸统计所得到的空分设备爆炸部位图
符号说明：o一统计到l～2次爆炸部位}0一统计到3～4次爆炸部位，●一统计到5次以上爆炸部位。
1．上塔2．冷凝蒸发器3．下塔4．主热交换器I 5．主热交换器I 6．液空节
流阎7． 乙炔吸附器8．辅助玲凝蒸发器9． 己炔分离器l0．渡氧排放阎11．可
逆式换热器冷段12．可逆式按热器热段13．液氧泵(液氧泵爆炸未记入85次中)
85例化学性爆炸事故中， 高、中压和双压流程占82 ， 垒低压流程占18 ，液氧设备无
爆炸事故。发生爆炸的部位统计， 主冷凝蒸发器46倒， 占54 ， 辅助冷凝蒸发器14％， 主换
热器11 。列管式冷凝蒸发器17例中，底部爆炸10倒，汽、液交界处5倒，顶部2倒。板翅
式冷凝蒸发器爆炸部位是汽、淑交界处。绝大多数爆炸是在塔内：coz较多、阀门经常堵塞，而
操作颓繁、压力波动、 主冷 液面过抵、主冷液面忽高忽低、气流冲击等情况下发生。爆炸部位
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· 42· 深冷技术 总第140期
大多数在富氧液休或液氧蒸发区域， 由于液体蒸发使各种危险杂质浓缩或析出，加上剧烈脉
冲与摩擦等， 就引起爆炸。
形成爆炸的因素有三个方面，可爆炸的危险杂质(即可燃物)，液氧(即助燃物)，一定能
量的日I爆源。
一
， 空分设备中危脸杂质墨其性质
空分设备中可爆炸韵危险杂质主要是大气申的碳氢化合物，’它们随原料空气进入空分设
备内。工业区大气中碳氢化舍物含量如表3—1O所示。
表3—10 大气中碳氢化舍物的含量
成 分 甲烷 已 烷 乙 烯 乙 炔 丙 烷 丙烯 正丁烷J异丁烷 正虎蟪 异戊抗
大气中的敢度 l 0 01～0
． 5 0 01～ 0．5 O 01～ 0．1 0．01～ 0．5 0～0 1 0．01～ 1l 0．01～ [ppm ] 0．1 0～ O 2 a～ O 2
大气中一些碳氢化舍物的特性数据如表3—1l所示。
表3—1l 空气中一些碳氢化台物的特性数据
成 分 分子式 标沸准赢压温力度下 三祖点 日口K 女 l 盎鍪 饱和蒸汽压mmHg
(K) (K) ‘k暑，m0) (ppm) 90K 1OOK
甲 烷 CH‘ I11．7 90 5 0．45 980000 75．9
乙 摄 C：HB 184．5 89．9 0．65 215000 6 9×10‘ 7．1×10‘{
乙 烯 C=H‘ 169．5 104 O．727 275O0 2 6×10’2 3 1x10—1
己 炔 C2H 2 l89．1 l91．7 O．79 5．2 1^x1日 ‘ 2．7x10‘}
丙 烷 CaH日 231．1 85．5 O 73 50000 1 1×10 2．3×10‘‘
丙 烯 C3H日 225．5 8'7．9 O 775 67．00 2 2×10 4． 2× 10’●
正r 烷 C{H1 0 272．7 134．B O 77 550 2 5x10 9 2×10‘7
T 擗一1 C。H日 255．9 8'7．B ～O．8 1000 2．7×10‘0 1．1×10‘●
虽然碳氢化合物在原料空气中含量甚微，但是在低温条件下，仍有可能超过其饱和蒸汽
压从原料空气中析出。在主换热器的低温区域， 丁烯、丁烷将析出，丙烷、丙烯和乙炔则视
它们在大气中的含量而定。
碳氢化合物随原料空气进入空分塔， 在下塔浓集于液空内，最后进入冷凝蒸发器液氧申，
在上塔顶部的氮气中含烃量甚微。硪氢化含物在气氧和液氧中分布取决于t① 它们在液氧中
的溶解度'②它们的平衡常数五=x／u(烃在液相中含量与气相中含量之比)，见表3一l7
甲烷在90K时五=3．5，且在液氧中溶解度大， 因而进入“主冷 的甲烷可随蒸发的气氧逸
出，不会在液氧中积聚。其它碳氢化合物，平衡常数大，浓集于液氧·内，液氧蒸发时随蒸发
的气氧逸出少， 残存于液氧内。
碳氢化舍物在空分塔内爆炸可以有如下两种情况；①不饱和碳氢化合物发生分解反应，
分解反应可在无氧状态下发生，③碳氢化合物与氧发生氧化反应。
如果某种碳氢化合物在液氧或液空中的溶解度高，不发生析出， 其危险能就小。如乙烯
丙烯均能发生分解反应，但是它们在液氧中溶解度太，原料空气中含量不足使它们在液氧中
析出， 它们的危险性就小。
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1． 各种碳氢化合物的相对危险性
各种碳氢化合物的相对危险性可以从两方面估价t它们在冷凝蒸发器内积聚的可能性|
它们在空分设备状态下的化学稳定性。
溶解度小，蒸汽压低的杂质易于在冷凝
蒸发器液氧内积聚到危险极限， 它的危险性
就大。
各种碳氢化合物的化学稳定性取决于它
的爆炸下限， 爆炸敏感性。爆炸下限低， 爆
炸敏感性高者其危险性就太。一般规律是相
对危险性随碳原子数的增加而增加，相等碳
原子数的碳氢化台物，不饱和度增加其相对
危险性亦增加。
各种碳氢化台物在气氧和液氧内爆炸下
限如表3— 12所示。
爆炸棍音物
危险杂质在气氧和液氧
内的爆炸下限
危险杂质在液 爆炸下限
氧内所呈状卷 气 蜜 ： 窘
各种碳氢化合物在液氧内的爆炸敏感性依下列次序增加： 甲烷一丙烷一丁烷一丁烯一乙
烯一丙烯一乙炔。
2． 各种碳氢化合物中乙炔的枷理化学特性袭定7它是最易爆炸的危险杂质
乙炔在大气中含量为0．01～0．1 ppm， 在乙蚨站，焊接工场附近可达3 ppm。它的凝固
点是一83．6℃， 在不同温度下乙炔的溶解度和蒸汽压如图3—54， 图3—55所示。
图3—54 乙炔在液氧， 液氮中的溶解度 图3—55 乙炔的蒸汽压
乙炔在液空中溶解度约为20ppm， 所以乙炔一般不会在液空中析出。乙炔在液氧中溶解
度为5．2ppm， 过剩的乙炔呈白色固体微粒悬浮在液氧中。
主冷 中平衡状态下液氧与气氧中乙炔数量之比为20：l左右(与温度有关)，即进入“主
冷 的乙炔随气氧逸出的数量很少。如果不设置净除设备， 当原料空气中乙炔含量大于0．037
ppm 时，“主冷”内就会产生固体乙炔，原料空气中乙炔含量为0．12 ppm时， 经过10．1小时
“主冷 内出现圆体乙炔。
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·44- 滚冷技术 总第14O期
乙炔是三链的不饱和碳氢化台物， 它的化学性质不稳定而且活泼。乙炔最易产生分解反
应， 其反应式如下t
C2H2(固态)—÷2C+H2+51．6 kcal／kmol
固态乙炔进行分解反应过程时具有以下特征t
爆炸热量 2000 kcal／kg 爆炸温度 2600~(3
形成气体的体积0．86 m。／kg 爆轰速度 2500 m／s
乙决在氧中爆炸分解时，碳和氢与氧发生氧化反应加剧了爆炸的破坏力
乙快一液氧混台物的爆炸敏感性大。
液空、液氧中的CO。结晶有吸附乙炔的特性， 吸附量可达l％(重量)。吸附乙炔后的
COz晶体， 由于积聚的乙快量多，具很大的危险性。
从上可知， 乙 是最危险的杂质，对于它在空分设备中各处的分布应予以充分的重视。
另外， 空压机气缸油的裂解物和油蒸汽可能会进入空分塔内， 当容器整个容积内积聚足
够数量浸透液氧的油时才会形成液氧炸药， 这种情况是少见的。液氧与油混合物爆炸敏感性
低， 但是乙炔爆炸能引起这种可爆系统爆炸。
二， 主冷凝蒸发器内危陵杂质的积聚情况
原料空气中危险杂质最终均随气流进入“主冷”内，并在此内积聚， 所以空分设备爆炸常
常发生于 主冷 内。
碳氢化合物在液氧中状态可以是单相溶液状态，也可以是结晶悬浮． 溶胶状和传热面上
沉淀。悬浮状、溶胶状的碳氢化合物是粘附在传热面上，溶解于液氧中碳氢化台物在液氧蒸
发时沉淀在传热面上， 这种沉淀屠造成大量乙炔的局部积聚， 也许此时液氧中乙炔含量是远
离饱和状态。沉淀层不易溶解，沉淀层达20N5o微米时，传热面上形成爆炸条件。
危险杂质在传热面上的多相积聚过程强度与时间、单位热负荷、液氧中碳氢化台物浓度
成正比。更重要的是液氧相对于蒸发表面的流动速度，液氧蒸发时杂质沉淀于传热面上是不
可避免的， 但是液氧运动速度大，会强化沉淀物的溶解和冲蚀过程， 使沉淀层不会形成。对
于一定的热负荷和杂质浓度存在着一个最小的运动速度， 如果液氧的运动速度大于最小运动
速度， 则传热面上不会有危险杂质的沉淀产生。
对于液氧在管内蒸发的“主冷 ， 运行中影响液氧在传热面上运动速度的主要因素是液氧
液面高度。液氧液面高， 液氧运动速度大。因此从防爆角度，对于板翅式主冷凝蒸发器，液
氧液面处于lOO％ 冷凝蒸发器高度时为最佳液面高度。
防止液氧通道堵塞。进入“主冷 的固体COz和硅胶粉末等能在某些液氧通道内积聚甚至
堵塞，由于增加了液氧流动阻力，降低了该通道中液氧流动速度，因此减少进入“主冷 中COL、
硅胶粉末等杂质是重要的。力求使液氧中COz含量处于溶解度以内，即小于6 ppm。 注意
在液氧通道内， 由于液氧蒸发，使CO：浓度增加，仍有COz晶体析出的可箭。板翅式冷凝
蒸发器液氧通道采用打孔翅片，对防止堵塞是有利的。
不管是什么原因， 致使液氧通道内液氧停止循环， 称之“千蒸发 由于碳氢化合物在该
通道内不断增浓，是危险的，应力求避免“干蒸发 。
进出“主冷”液氧管道位置的布置，会影响碳氢化合物在 主冷”液氧内均匀分布，局部地
区会增多。
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三、空分设备中的引爆源
1． 压力脉冲。包括由气波冲击、液体冲击 1气蚀现象所0i起的H功脉冲等。
2． 危险杂质固体微粒相互间摩擦或与塔、器壁间的摩擦。
3． 静电放电。由于液氧的单位电阻值较大， 因而易产生静电积聚现象 液氧静电积聚
程度，很大程度上与其内禽CO：、地O和其他固体粒子量有关。静电场强度取决于固体微粒
在液氧中构运动速度、杂质的数量和性质。资料报道， 液氧中台有200~300 ppm CO 刚，
产生的静电位可达3000伏。
4． 化学反应特别强的物质的存在。主要是臭氧、氮氧化物(NOz、NO和N。0)， 它们
与碳氢化合物起化学反应生成能自燃的化台物，促进碳氢化台物的爆炸。
(待续。下期刊登(五下)之四“宣分设备中的防爆措施”)