淺析化學原料藥車間氮氣系統

榮明杰 余明義

摘 要：通過數據對比闡述了原料藥車間設置氮氣保護系統的原因，總結了因粉體輸送、冰河冷媒等新工藝和新材料的采用而引起的傳統氮氣系統的變化，并對目前氮氣系統各組成部分的不同做法進行了對比分析。

關鍵詞：原料藥;氮氣系統;自力式壓力調節閥

中圖分類號：TB21? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0025-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.008

0? ? 引言

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

目前，原料藥車間的理念處于由手動控制轉為自動控制的過渡階段，大量操作需要人工干預。為了保證人員和產品安全，有必要從本質上消除爆炸危險源，因此，氮氣系統的使用成為安全生產的重要保障。

隨著氣流輸送等新型生產方式的出現，氮氣系統的功能性逐漸擴展，各組成部分也引入了一些新的做法。

1? ? 氮氣保護的原因

產生燃燒的3個基本要素為可燃物、點火源和助燃劑，消除三要素中的任意一個，即可保證本質安全。

對于原料藥生產過程，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。

點火源通常為由有機溶媒或粉塵摩擦引起的靜電火花。藥廠常用各種措施來預防靜電，如設備良好的靜電接地、進車間前的導靜電柱等，但這些措施只能降低靜電發生的概率，并不能完全消除靜電，尤其是溶媒和粉塵產生的靜電。

1.1? ? 溶媒靜電

靜電釋放是電子發生轉移且不能及時返回，累計到一定量后，帶電體間的電勢差大于空氣的擊穿電勢所形成的一種現象。先決條件是靜電積累，即靜電產生的速度大于靜電導除的速度。對于溶劑，流速越快，靜電產生的速度越快。靜電導除的速度與設備靜電接地狀態和溶劑電導率有關，接地效果好或溶劑電導率高都有助于提升靜電的導除速度。

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

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

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。粉體在投料和管道輸送中都非常容易發生靜電釋放現象。一般的粉體具有分散性和懸浮性兩種特性[2]。分散性使粉體具有更大的表面積，更容易與其他物體接觸，產生電子轉移;懸浮性使部分帶電荷的粉體處于絕緣狀態，無法導除靜電。相較于溶劑，粉體的靜電更難導除，發生靜電釋放不可避免。點燃粉體所需的最小能量稱為粉體的“最小點火能”，當靜電釋放的能量超過了“最小點火能”，就會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）是更科學的方法。表1為常用溶劑不發生爆炸時氧含量的安全限值[3]。二氧化碳和氮氣等氣體性質穩定，不支持燃燒，其中氮氣因成本低、易制備、不參與反應等原因在實際生產中使用較多。

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%（體積分數），可以理解為，若將設備內氣相空間的氧含量控制在8%以內，就可保證大多數可燃溶媒不發生燃燒。如離心機廠家通常將離心機內氧含量安全值設置為4%～6%，就是依據此原理。

對于粉體，有研究表明[4]，粉體的最小點火能與環境氧含量成負相關關系，氧含量減小時，粉體的最小點火能會相應增大。對于大多數粉塵云，當氧含量低于10%的時候，即使用很強的點火源（104 J）也不能將其點燃。所以，對于絕大多數可燃溶劑和粉體，將其處于氧含量低的環境下是保證不發生燃燒爆炸的本質安全措施。在實際生產中，降低氧含量的方式是氮氣置換，有正壓置換和抽真空置換等多種方式，都需要用到氮氣系統。

2? ? 氮氣系統的分類

由于大量可燃溶媒的使用，原料藥工廠普遍采用石化行業成熟的氮封系統。而藥廠有著與石化行業不同的設備、工藝和規模，氮氣系統不僅限于氮封系統，還兼顧著壓料、輸送等功能。現代化原料藥工廠的氮氣系統可根據氮氣壓力的不同粗略地分為低壓和高壓兩種。

2.1? ? 低壓氮氣系統

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

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

另一方面，車間內通常多使用點共用一套減壓閥組，相對高壓的氮氣可提供更大的流量。

此外，氮封氣有時還作為設備“破真空”的補氣，氮氣需求量很大，采用過低壓力的氮氣會延長此過程的時間，同時搶走其他氮氣使用點的流量。

有些廠家將氮封系統集成在一個密閉設備內，同時配備氮封和快速補氮的功能，當氮封氣流量緊張時開啟快速補氮，是值得推廣的做法[5]。

2.2? ? 高壓氮氣系統

一般設置0.2～0.3 MPa的高壓氮氣系統，使用的工況有以下幾種：

2.2.1? ? 壓料

高壓氮氣可用于實現釜與釜間的物料轉移，當釜后接過濾器時，高壓氮氣也可提供物料通過過濾器的動力。

2.2.2? ? 置換

離心機在使用前需置換轉鼓內的空氣，含氧量降低到設定值時才可進料。置換時間通常小于5 min，需使用0.2 MPa壓力以上的氮氣源。

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已被廣泛應用在原料藥車間，乙二醇水溶液的溫度可設定在-15～120 ℃。通常設置一路冷媒、一路熱媒。當冷熱媒溫差較大時，為保護設備（搪玻璃反應釜的夾套可承受的溫差變化約為100 ℃）和節約能耗，切換冷熱媒時，常用高壓氮氣將其中一種壓回，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氧化變質。

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。藥廠中物料種類復雜，多數具有爆炸危險性，也有些物料易被氧化，故常選用高壓氮氣作為氣體載體來保護物料。閉環式氣力輸送方式是較為經濟和穩定的粉體輸送方式，此過程中需注意氮氣壓差平衡和自動排堵的實現[6]。

3? ? 氮氣系統的組成

原料藥車間的氮氣系統一般由以下四部分組成：制氮機、氮氣緩沖罐、氮氣減壓閥組、氮氣控制閥組。氮氣系統示意圖如圖1所示。

3.1? ? 制氮機

醫藥行業中的氮氣有3種來源：鋼瓶氮氣供氣、液氮氣化供氣、變壓吸附式制氮機供氣。鋼瓶供氮和液氮氣化由于氣量、成本等各種原因不具優勢;而變壓吸附式制氮機成本低、自動化程度高，是藥廠最廣泛使用的制氮方式。

3.2? ? 氮氣緩沖罐

緩沖罐是工廠氮氣管網所必需的，能在氮氣生產裝置停工或氮氣壓縮機故障時，確保氮氣管網的正常運作，常見為0.6～0.8 MPa緩沖罐。當廠區有多個車間時，一般在廠區動力站集中設置空壓—制氮機。制氮機產生的氮氣經外管管道輸送至各個車間，各車間內設置獨立的氮氣緩沖罐。此處的緩沖罐起到平衡各個車間高峰用氣量的作用。車間內，由于離心機用氣量較大（每臺約0.9 Nm3/min），一般為其單獨設置緩沖罐。氮氣緩沖罐的壓力與廠區管網的壓力應相同。

3.3? ? 氮氣減壓閥組

變壓吸附式制氮機產出的氮氣壓力為0.6～0.8 MPa，高于工藝需求的壓力，需減壓。除非特定區域，一般的低壓氮氣網由緩沖罐經減壓調節閥供給。氮氣減壓閥可采用控制閥或自力式調節閥。

控制閥以外界電能或壓縮空氣源作為驅動力，通過壓力傳送儀表信號改變閥內截留件相對位置，從而實現改變氮氣壓力的作用;自力式調節閥無須外部能源，只依靠氮氣的能量自行操作減壓并能保持氮氣壓力的恒定。控制閥精度比自力式調節閥高，但所需硬件成本也更大。兩者相比較，優先選用自力式調節閥。自力式調節閥有多種，用于氮氣減壓工況的可選取自力式壓力調節閥或自力式差壓調節閥（閥前壓力穩定時可選），選用自力式壓力調節閥作為減壓閥時需閥后取壓。根據作用型式的不同，自力式壓力調節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。當閥后壓力小于15 kPa時，優先選用帶指揮器的自力式壓力調節閥;反之，可選用直接作用式壓力調節閥[7]。

3.4? ? 氮氣控制閥組

氮氣控制閥組的主要作用是將設備內的氮氣壓力控制在設定值，并盡可能減少氮氣逸散。隨著自動化要求的不斷提高，原料藥車間氮氣系統的控制閥組也不斷發生著變化，其從簡易到復雜可分為以下幾種：

3.4.1? ? 微開啟式止回閥

早期的氮封系統使用止回閥作為氮氣的控制閥。為防止設備內的氣體反竄到氮氣系統內，進入設備低壓氮氣管道上會設置微開啟式止回閥，設定壓力稍低于氮封氣壓力。如低壓氮氣管網的壓力為5 kPa，此處微開啟式止回閥的開啟壓力一般設為2 kPa。設備排氣管道上同樣設置微開啟式止回閥，開啟壓力設置為3 kPa。微開啟式止回閥通常選用旋啟式止回閥。止回閥價格低，但其密封面易磨損，極易內漏，損失氮氣，只適合小規模生產車間，且對物料揮發和氮氣消耗量要求不嚴格的工況。

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，壓力可設定為3～5 kPa。當設備內壓力達到設定值時，單呼閥開啟，排出氣體;壓力下降到設定值以下時，單呼閥關閉，鎖住氮氣。單呼閥精度低，也存在氮氣易泄漏的缺點。

3.4.3? ? 自力式調節閥

自力式壓力調節閥不僅可以作為氮氣減壓閥，也可作為排氣的控制閥。不同的是，作為減壓閥時，自力式調節閥選擇閥后取壓，而作為排氣閥時，應閥前或閥內取壓。自力式壓力調節閥調節精度較止回閥和單呼閥高，不易泄漏，但價格較高，大規模使用時需考慮投資成本。

3.4.4? ? 控制閥

在反應釜的排氣管路上，以上3種閥門前端需增加手動切斷閥來保證壓料時氮氣不會從排氣管道中排出，而使用控制閥就可避免這個問題。控制閥相對于自力式調節閥精度更高，但需配備氣源管線和電纜，而且可靠的閥門價格相當高。

對于以上4類閥門，可根據實際投資和廠房規模綜合考慮選擇。

4? ? 結語

本文對原料藥車間氮氣系統設置的原因、分類、組成以及閥門選擇進行了闡述，可供當下原料藥車間氮氣系統設計參考。隨著安全要求的提高、新型技術和設備逐漸投入使用，氮氣系統也會更新換代，期待今后能出現自動化程度更高、更安全節能的氮氣系統。

[參考文獻]

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[3] 萬成略，汪莉.可燃性氣體含氧量安全限值的探討[J].中國安全科學學報，1999，9（1）：48-53.

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[5] 趙志福，饒哲.一種微正壓氮氣保護裝置：CN2073164-

58U[P].2018-05-04.

[6] 劉艷青.氮氣閉環式氣力輸送機理研究與系統設計[D].青島：青島科技大學，2010.

[7] 周晶，惠劼政.自力式調節閥的應用與發展[J].化工與醫藥工程，2014，35（1）：42-46.

收稿日期：2022-01-13

作者簡介：榮明杰（1992—），男，山東臨沂人，碩士，工藝助理工程師，研究方向：化學原料藥工藝設計。