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1、空分設(shè)備及其性能特點
1.1 空分設(shè)備
空分設(shè)備就是以空氣為原料，通過壓縮循環(huán)深度冷凍的方法把空氣變成液態(tài)，再經(jīng)過精餾而從液態(tài)空氣中逐步分離生產(chǎn)出氧氣、氮氣及氬氣等惰性氣體的設(shè)備。
目前我國生產(chǎn)的空分設(shè)備的形式、種類繁多。有生產(chǎn)氣態(tài)氧、氮的裝置，也有生產(chǎn)液態(tài)氧、氮的裝置。但就基本流程而言，主要有四種，即高壓、中壓、高低壓和全低壓流程。我國空分設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)從早期只能生產(chǎn)20m3/h（氧）的制氧機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在具有生產(chǎn)20000 m3/h、30000 m3/h和50000 m3/h（氧）的特大型空分設(shè)備的能力。
1.2空分設(shè)備的基本系統(tǒng)：
空分設(shè)備從工藝流程來說可以分為5個基本系統(tǒng)：
2. 空分設(shè)備表面清潔度及其檢查方法
2.1空分設(shè)備容易發(fā)生燃燒的原因
發(fā)生燃燒甚至爆炸必須滿足3個條件：有一定數(shù)量的可燃物質(zhì)、存在相應(yīng)數(shù)量的氧化劑、最低限度的能量保障。空分設(shè)備工作環(huán)境的最大特點是在低溫或常溫條件下流通著介質(zhì)氧。純氧是強(qiáng)氧化劑，即使在-183℃的液化低溫狀態(tài)下，只要易燃易爆物的數(shù)量或濃度超過爆炸極限，介質(zhì)氧由于高速流動摩擦所產(chǎn)生積累的能量達(dá)到一定值時，仍然會發(fā)生爆炸，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。故此空分設(shè)備中凡能與介質(zhì)氧接觸的部分，其表面清潔度要求都很高，不允許有機(jī)械雜質(zhì)及油脂等有機(jī)物存在，這些物質(zhì)必須清除干凈。
空分設(shè)備禁油零部件的脫脂清洗就是通過物理或化學(xué)的方法，選用適當(dāng)?shù)那逑磩┩ㄟ^特定的清洗工藝對其表面進(jìn)行處理，保證其表面有機(jī)物的濃度控制在爆炸極限以下。這是空分設(shè)備安全運行的必要措施，經(jīng)表面處理后，還要經(jīng)嚴(yán)格的檢查與檢驗，才能投入使用。
2.2 空分設(shè)備表面污垢的種類
檢查空分設(shè)備表面清潔度的指標(biāo)應(yīng)包括以下四類物質(zhì)：
（1）固體物質(zhì)：有機(jī)物如有機(jī)防銹劑、木質(zhì)、紙、纖維、涂料等；焊接熔渣及飛濺物、金屬屑、焊絲及其他金屬物；砂子及類似的顆粒物質(zhì)，以及在工作條件下可能溶解的其它物質(zhì)。
（2）清洗液及水
（3）浮銹及氧化皮
（4）礦物油及油脂
2.3表面清潔度的檢查方法
固體物質(zhì)、清洗液、水及銹疤可以直接用眼睛目視檢查。在明亮燈光照射下，眼睛觀察被檢設(shè)備表面，察看有否殘留的固體物質(zhì)。不允許有直徑（或?qū)蔷€）超過0.5mm的固體顆粒存在，直徑（或?qū)蔷€）在0.25～0.5mm之間的固體顆粒總和應(yīng)少于100粒/m2，并且不得有纖維、灰塵和織物存在。個別殘留的纖維其長度不得超過2mm；不允許有殘余的清洗液和水存在，表面應(yīng)該完全干燥。
礦物油及油脂的測定可分為直接檢查法和定量測定法。直接檢查法有濾紙擦拭法、紫外熒光法、涂水試驗法和滴水?dāng)U散法等，定量分析法可分為重量法和油分濃度測定法。
目前我國空分設(shè)備表面殘油量的測定基本上以油分濃度測定法為準(zhǔn)，也以該法應(yīng)用最廣。
3. 空分設(shè)備表面油脂殘留量標(biāo)準(zhǔn)的確定
空分設(shè)備的脫脂清洗，就是為了去除部件表面的油脂，以達(dá)到符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的表面油脂殘留量的要求。標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的殘油量越低，對清洗設(shè)備的要求也將越高，清洗工藝也將更繁瑣，勞動強(qiáng)度、清洗成本均將大幅度提高。空分設(shè)備禁油的零部件表面殘測量的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該如何確定？本人以為其原則應(yīng)是既要貫徹ISO9000，確保產(chǎn)品質(zhì)量，能保證系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的絕對安全，同時殘油量的數(shù)量值又要定得合理、恰當(dāng)。
我認(rèn)為這個合理數(shù)值的實質(zhì)是油脂在氧介質(zhì)中的行為、富集和爆炸的極限濃度。一些文獻(xiàn)綜述的文章[1]及Mckinley.c[2]等都指出，溶解于液氧中的碳?xì)浠衔锏幕旌衔锉ㄏ孪蘅扇?/SPAN>5%（克分子）甲烷當(dāng)量。混合物中碳?xì)浠衔餄舛瘸^上述極限時，就會成為易爆混合物，有特殊的危險性。
這一極限濃度也適合于碳?xì)浠衔镆詰腋◇w或乳膠體形式在液氧中均勻分布。5%克分子甲烷當(dāng)量經(jīng)換算后，相當(dāng)于28kgCnH2n/m3液氧。液氧中的油脂來源于空分設(shè)備內(nèi)跟介質(zhì)氧接觸的表面殘留的油垢。不同比表面的零部件的油富集度不一樣，單位容積的表面越大，則富集度越大。我們假設(shè)表面殘油全部進(jìn)入液氧時，經(jīng)換算可以求出不同比表面的零部件表面殘油量的極限值（見表1）。
表1 不同比表面產(chǎn)品殘油量極限計算值
產(chǎn)品 比表面積 殘油量極限計算值
名 稱 規(guī)格 g／m2 μm
規(guī)整填料 750#350# 750350 3580 4194
氧冷卻器 160 175 200
液氧低溫貯槽 50m3 100m3 42 700014000
由表1看出，若空分系統(tǒng)中和介質(zhì)氧接觸的表面殘留油脂絕對均勻地分散在液態(tài)氧中（這是一種實驗室里的理想狀態(tài)），那么發(fā)生爆炸的極限油脂殘留量是相當(dāng)高的。
器壁上的油在低溫狀態(tài)下的形態(tài)實際如何呢？“低溫條件下結(jié)構(gòu)填料上油膜性能”[3] 一文介紹了林德、Anton Kirzinger等所做油膜在氧氣及液氧中的性能研究。Kehat使用正十六烷作為典型物質(zhì)，在液氧中做燃燒實驗，在低溫下，位于不銹鋼管壁的正十六烷膜會固化，當(dāng)油膜厚度＞5g/m2時，觀察到一部分油層剝落，形成的固態(tài)的正十六烷膜在液氧表面浮動。盡管正十六烷在環(huán)境溫度下具有流動性，而在低溫條件下會剝落，Kehat還是不能將油點燃，因而他提出在用氧系統(tǒng)中，大約5 g/m2的油污染是可以容忍的。
Ball在另一篇文章中也得出了同樣結(jié)論，他建議在富氧環(huán)境條件，油污染的允許限度為
H（見原文）等[4]通過實驗確定了引起爆炸的最小碳?xì)浠衔飳雍瘢汗I(yè)油-12的層厚40～50µm、其他碳?xì)浠衔飳雍?/SPAN>15-30µm時發(fā)生的爆炸作用，會使Ф
表2 碳?xì)浠衔镌谝貉踔械谋▍?shù)[4]
名稱 爆炸作用速度m/s 臨界厚度δ臨界，μm
乙炔戊烷乙烷工業(yè)油--12 1350171016101500 --121035
現(xiàn)將上述數(shù)據(jù)和有關(guān)的表面殘油量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一整理，工業(yè)油—12、正十六烷及油脂的密度均取0.85g/cm3進(jìn)行換算，列于表3。
表3 空分設(shè)備表面允許的最大殘油量
作 者 殘留油分量大允許值 g／m2 μm
Mckinley.CHebctpyeba.E.HKehat 3025.75* 35*30*5.9
BallJB/T6869-93 1*0.125* 1.20.147
從表3看出，《JB/T 6896—93空氣分離設(shè)備表面清潔度》標(biāo)準(zhǔn)的殘油量規(guī)定均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于油脂的爆炸極限，這是考慮到空分設(shè)備各部件比表面積不同及油脂分布的不均勻性。
我國JB/T 6896—93行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：凡與氧氣接觸的零件表面及運轉(zhuǎn)中殘油可能帶入氧氣的零件表面，油脂的殘留量不得超過125mg/m2。按該標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造的空分設(shè)備，從全國范圍來看，沒有發(fā)生因“油”的原因而爆炸的。這可否說明125 mg/m2的殘油量對清潔度要求最苛刻的部件也是安全的。當(dāng)然，隨著科技的發(fā)展，第六代空分設(shè)備使用了規(guī)整填料。原先在化工產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的填料，其表面的殘油量的概念是不存在的。也就是說化工填料表面的油脂不影響其使用。而移植到空分設(shè)備中的就不一樣了，由于其比表面大，油脂富集度高，必須經(jīng)過仔細(xì)的清洗才能使用，此時，填料的清潔度作為一個重要的問題引起廣泛重視：
規(guī)整填料表面殘油量標(biāo)準(zhǔn)如何確定？至今未有統(tǒng)一的說法。1995年無錫雪浪化工填料廠為杭氧“1000”空分制氬設(shè)備生產(chǎn)SW—1規(guī)整填料。我們規(guī)定其殘油量標(biāo)準(zhǔn)為100mg/m2，并以此作為檢測驗收標(biāo)準(zhǔn)，投產(chǎn)后至今運轉(zhuǎn)正常。證明這樣規(guī)定規(guī)整填料表面殘油量標(biāo)準(zhǔn)是合適的
4 空分設(shè)備脫脂清洗常用的清洗劑
清洗金屬表面使之清潔，是防止產(chǎn)品被大氣腐蝕的重要因素之一。在空分系統(tǒng)中，清洗除了起到防腐作用之外，防爆更為重要，是空分系統(tǒng)中不容忽視的、至關(guān)重要的一環(huán)。制造空分設(shè)備所使用的材料多種多樣，既有不銹鋼制品，又有鋁及其合金，銅及銅合金制品。外形尺寸相差很大，對清洗精度（孔徑公差）的要求也不一樣。因此，我們針對不同的工況采用不同的清洗劑制定了不同的清洗工藝，但產(chǎn)品的最終清洗一般均采用四氧化碳浸泡或擦洗，以符合表面油脂殘留量≤125 mg/m2的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
那么殘油量≤125 mg/m2是怎么樣的一個概念呢？直觀的說就是在一平方米大的平面上，只要滴上3～4滴油，并讓其均勻地鋪展整個表面，這時表面上油膜厚度僅為14×10-8米。對于如此高的清潔度要求，顯而易見，工藝難度較大。
可用于清洗的清洗劑有：石油類溶劑、有機(jī)類溶劑、鹵代烴溶劑、堿溶液及水基金屬清洗劑等。
4.1石油類溶劑
使用低沸點石油系列溶劑，如200號工業(yè)汽油、煤油、輕柴油等清洗油脂是極為普遍的方法。這些溶劑能溶解油脂，使油脂進(jìn)入溶液。但石油類溶劑不能溶解水溶性污物，所以不能清洗掉鹽類、汗液等污垢。一般在生產(chǎn)中作為精洗工藝中的預(yù)洗清洗劑使用。這類清洗劑清洗后獲得的是疏水性表面，下一步清洗時要注意。同時由于它可燃有毒，使用時需要有安全措施。
4.2鹵代烴清洗劑
空分設(shè)備清洗劑用量大，從安全等方面考慮，酒精、丙酮等易燃有機(jī)溶劑理所當(dāng)然不在采用之列，因而通常采用不燃的鹵代烴清洗劑。這類清洗劑的優(yōu)點：①對油脂溶解性好，去污快；②表面張力小，滲透力強(qiáng)；③不燃燒，防火性好；④對水溶解小，易與水分離；⑤清洗后的物品易于干燥取出即干，不需要干燥處理。
用于清洗的鹵代烴有CFC—113、四氯化碳、四氯乙烯、三氯乙烯、1,1,1-三氯乙烷等。這類清洗劑還廣泛使用于電子、機(jī)械和服裝業(yè)的清洗中。其缺點是氣味重、毒性強(qiáng)，而CFC—113、四氯化碳會對大氣的臭氧層產(chǎn)生破壞。常用鹵代烴性能見表4。
表4 常用鹵代烴性能匯總表[5][6]
名稱、結(jié)構(gòu)式 沸點/ºC 表面張力 密度/(g/cm3) 蒸汽相對密度(25ºC) 毒性
四氯乙烯CL2C=CCL2三氯乙烯CHCL=CCL2四氯化碳CCL4 47.774.112186.776.8 17.325.431.329.3 1.561.341.621.461.58 6.974.65.74.55.3 低低中中高
4.3堿性化學(xué)水溶液及水基金屬清洗劑
典型強(qiáng)堿清洗液含有NaOH、Na2SiO3、Na3PO4、Na2CO3等，主要用于鋼鐵的清洗，而水基金屬清洗劑則是各種親水性較強(qiáng)的表面活性劑組合使用。這類清洗劑對動物油通過皂化作用，使之溶于水中，對非極性的礦物油有乳化作用，使之乳化后溶于水中，且也能溶解汗跡及無機(jī)污物。但缺點是清洗速度較慢，一般需要加溫并輔以振動、沖刷、超聲波等清洗手段，最后必須用水清洗至pH值為中性并立即干燥。這類清洗劑清洗時必須注意要控制其水溶性的pH值，以防止對金屬的腐蝕。見表5。
表5 各種金屬發(fā)生腐蝕的臨界pH值[5]
金屬材料 鋅 鋁 錫 黃銅 鋼鐵
pH值 10 10 11 11.5 13
5、用水基金屬清洗劑替代四氯化碳清洗的經(jīng)驗
四氯化碳因其具有脫脂性能好、價廉、沸點為76.8℃、能在常溫下?lián)]發(fā)干燥等優(yōu)點，曾被空分行業(yè)廣泛使用。但四氯化碳有輕度的MaZui作用，對人體的臟器，特別是肝和腎有嚴(yán)重?fù)p害[6]；同時四氯化碳的氣味難聞，對操作人員的刺激很大，更因為它屬ODS物質(zhì)，破壞臭氧層[7]；所以為了操作人員的身體健康，為了保護(hù)環(huán)境、造福子孫后代，我們必須盡快禁止使用四氯化碳。2003年6月1日國家環(huán)保總局明令規(guī)定不得使用四氯化碳清洗劑。
事實上，杭氧集團(tuán)公司已經(jīng)自覺地在四氯化碳替代技術(shù)方面進(jìn)行了多年的工作。
1989年當(dāng)水基金屬清洗劑作為一種新產(chǎn)品剛在我國出現(xiàn)的時候，我們即開始進(jìn)行波紋管截止閥等零件的清洗脫脂新工藝試驗，1990年用77-2清洗劑代替四氯化碳清洗波紋管獲得成功，并應(yīng)用于生產(chǎn)實際。除77-2外還對HX-1、32-1、MT-28等不同型號的清洗劑的腐蝕性、清洗能力、毒性、成分、對環(huán)境的影響等進(jìn)行評估和試驗，使水基清洗劑的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。1996年成功應(yīng)用在氧透冷卻器的脫脂上，1998年在氧透冷卻器的脫脂清洗中，水基清洗劑已經(jīng)全部代替了四氯化碳。這既節(jié)省了清洗費用、又減少了ODS物質(zhì)的排放，保護(hù)了大氣臭氧層。
杭氧集團(tuán)公司還在不同的工藝條件下，用各種型號的水基金屬清洗劑對不同材質(zhì)的零件進(jìn)行了清洗效果的測定和比較，完全達(dá)到JB/T 6869-93標(biāo)準(zhǔn)的要求。
水基清洗劑的清洗效果不如四氯化碳，所以只憑簡單的清洗工藝難以達(dá)到空分設(shè)備清潔度的要求，需要有加熱、攪拌設(shè)備，要有相應(yīng)的浸泡清洗容器和噴淋裝置。又因為零件的最后一道清洗須用純凈水處理，在室溫下，水的蒸發(fā)干燥較慢，所以要求有相應(yīng)的干燥設(shè)備，以保證脫脂面的及時干燥，防止表面銹蝕和再污染。第三，水清洗將產(chǎn)生大量廢水，廢水pH值高，而且除含有清洗劑表面活性劑外，尚含有油脂、COD、懸浮物等有害成分，廢水必須經(jīng)過處理、達(dá)到環(huán)保要求后才能排放。
經(jīng)過近幾年的努力，杭氧公司已經(jīng)實現(xiàn)了在全公司范圍內(nèi)的非四氯化碳清洗，淘汰了四氯乙烯和四氯化碳在生產(chǎn)過程中的使用（按杭氧近幾年的產(chǎn)值估算，每年至少要少消耗15噸四氯化碳），為保護(hù)環(huán)境、保護(hù)臭氧層做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。由此可見，在全空分行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)非四氯化碳清洗工藝，只要經(jīng)過努力，是可以做到的，而且必須做到。
