季云娣 曹 亮 周月紅 李 楠

上海華誼集團(tuán)上硫化工有限公司 （上海 200431）

高溫乙二醇在不同水和氮?dú)夂肯卤O限的測(cè)定

季云娣 曹 亮 周月紅 李 楠

上海華誼集團(tuán)上硫化工有限公司 （上海 200431）

爆炸極限不是固定不變的，它隨溫度、壓力、含氧量、氮?dú)夂康纫蛩氐淖兓兓＠米灾票ㄈ萜?，在高溫下?60℃），改變氮?dú)夂退魵夂?，測(cè)定乙二醇的爆炸極限，通過(guò)分析得出隨著氮?dú)夂退魵夂康脑黾?，乙二醇的爆炸極限不斷縮小，達(dá)到一定值時(shí)，該體系不再爆炸，而進(jìn)入安全區(qū)域。而水比氮?dú)饩哂懈雍玫膲嚎s乙二醇爆炸極限的作用。

爆炸 爆炸極限 乙二醇

可燃物質(zhì)（可燃?xì)怏w、蒸汽和粉塵）與空氣（或氧氣）在一定濃度范圍內(nèi)混合，遇到明火后會(huì)發(fā)生爆炸，這個(gè)濃度范圍稱為爆炸極限。爆炸極限在化工生產(chǎn)上，往往將裝置的操作條件控制在所涉及可燃?xì)怏w爆炸極限以外的安全區(qū)，離爆炸極限范圍越遠(yuǎn)，生產(chǎn)的安全性就越高。常規(guī)爆炸極限通常是在常溫常壓等標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定出來(lái)的數(shù)據(jù)，不是固定的物理常數(shù)。同一種可燃物質(zhì)的爆炸極限也不是固定不變的，它隨溫度、壓力、含氧量、氮?dú)夂康纫蛩氐淖兓兓?。常溫下各種可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸極限數(shù)據(jù)已經(jīng)很充足[2]，但在高溫、貧氧及含水蒸氣的條件下，爆炸極限的數(shù)據(jù)卻很罕見。本實(shí)驗(yàn)以自制的爆炸極限測(cè)定裝置測(cè)定了乙二醇在高溫（260℃）、氮?dú)庠黾樱ㄘ氀酰┘昂魵鈼l件下的爆炸極限，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

乙二醇，上海試劑四廠昆山分廠，分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程（見圖1）

常溫下爆炸極限的測(cè)定，通常采用Zabetakis-Coward-Jones法[3]，但在加熱條件下無(wú)法將該體系恒定在同一溫度下，因此它不適合非常溫下爆炸極限的測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)采用圓柱形不銹鋼爆炸容器（?：10.0 cm，h：16.0 cm），易于恒定爆炸體系的溫度，數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性好。具體操作流程如下：

乙二醇（或乙二醇水溶液）由平流泵打進(jìn)汽化室，汽化后與預(yù)熱過(guò)的空氣和額外補(bǔ)充的氮?dú)饣旌?，進(jìn)入爆炸容器。在每個(gè)條件下平衡20min，然后關(guān)閉爆炸容器的進(jìn)口出口，打開爆炸容器連接氣球的閥門，保持容器內(nèi)的溫度在260℃，通過(guò)點(diǎn)火裝置在容器內(nèi)打出電火花（約10萬(wàn)伏脈沖）來(lái)引發(fā)爆炸，若氣球有明顯充氣則說(shuō)明發(fā)生了爆炸。每個(gè)條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，其中有一次發(fā)生爆炸即認(rèn)為該點(diǎn)在爆炸極限范圍之內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)是在乙二醇溶液含不同水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0%、25%、50%時(shí)，隨著補(bǔ)充氮?dú)饬康脑黾樱瑴y(cè)定乙二醇的爆炸極限，并繪制成曲線圖。本實(shí)驗(yàn)所指補(bǔ)充氮?dú)獾牧坎话諝庵械牡獨(dú)?，而是額外加入的氮?dú)獾牧俊?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不含水的乙二醇的爆炸極限

乙二醇汽化后與空氣、氮?dú)饣旌?，?60℃以補(bǔ)充氮?dú)獾牧亢鸵叶紳舛葹樽鴺?biāo)得到爆炸極限曲線，見圖2（圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)均采用摩爾分?jǐn)?shù)，以下同）。其中折線為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連線，曲線為模擬線。本體系中只含有乙二醇、氮?dú)夂脱鯕狻D中各點(diǎn)氧含量可通過(guò)下式計(jì)算得到：

式中的N2%為額外加入的氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)。

由圖2看出，在260℃時(shí)，乙二醇在空氣中，即在沒有補(bǔ)充額外氮?dú)鈺r(shí)的爆炸極限是2.69%～15.78%，這與所查的常溫爆炸極限（3.2%～15.3%）很接近但略有擴(kuò)大，這說(shuō)明升高溫度使爆炸極限的范圍擴(kuò)大，與理論相符。隨著氮?dú)饬康脑黾?，乙二醇的爆炸極限被不斷壓縮，即上限下降，下限上升。最終，在補(bǔ)充氮?dú)饬吭?0%左右時(shí)，乙二醇的爆炸上下限于8%附近重合，不再爆炸。

O2%=（1- 乙二醇%-N2%）×0.21=（1-8%-30%）×0.21=13.0%

以粗略估算得到，乙二醇在260℃，當(dāng)氧含量低于13.0%時(shí)，就不存在爆炸極限。

2.2 乙二醇∶水=1∶1（質(zhì)量百分比）時(shí)的爆炸極限

水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的乙二醇水溶液經(jīng)汽化室汽化后與空氣、氮?dú)饣旌希?60℃時(shí)同樣以補(bǔ)充氮?dú)饬亢鸵叶紳舛葹樽鴺?biāo)，得到的爆炸極限見圖3。本體系中含有乙二醇、水、氮?dú)夂脱鯕?。圖中各點(diǎn)均為摩爾分?jǐn)?shù)，由于醇水比為定值，水和氧含量可分別通過(guò)下式計(jì)算得到：

H2O%=乙二醇%×62/18

O2%=（1-乙二醇%-H2O%-N2%）×0.21

式中的N2%為額外加入的氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)。

從圖3可以看出，在乙二醇的水溶液中，當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，在不補(bǔ)充氮?dú)獾臈l件下不發(fā)生爆炸。因此，260℃時(shí)，50%的乙二醇水溶液在空氣中爆炸極限被完全壓縮，不會(huì)發(fā)生爆炸。

2.3 乙二醇∶水=3∶1（質(zhì)量百分比）時(shí)的爆炸極限

水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乙二醇水溶液經(jīng)汽化室汽化后與空氣、氮?dú)饣旌希?60℃時(shí)同樣以補(bǔ)充氮?dú)饬亢鸵叶紳舛葹樽鴺?biāo)，得到的爆炸極限見圖4。其中折線為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連線，曲線為模擬線。本體系中含有乙二醇、水、氮?dú)夂脱鯕?。圖中各點(diǎn)均為摩爾分?jǐn)?shù)，由于醇水比為定值，水和氧含量可分別通過(guò)下式計(jì)算得到：

H2O%=乙二醇%×62/3/18

O2%=（1-乙二醇%-H2O%-N2%）×0.21

式中的N2%為額外加入的氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)。

由圖4可以看出，隨著氮?dú)夂康脑黾樱叶急ㄏ孪拊龃蟮内厔?shì)很慢，而爆炸上限則迅速下降，在補(bǔ)充的氮?dú)夂吭诩s12%時(shí)，乙二醇的爆炸上下限于9%附近重合，不再發(fā)生爆炸。此時(shí)水和氧含量約為：

以粗略估算得到，260℃，75%乙二醇水溶液，當(dāng)氧含量低于14.4%時(shí)，爆炸極限消失。

2.4 不同水含量的乙二醇爆炸極限比較

由圖5可見，隨著水的加入，乙二醇的爆炸區(qū)間迅速減小，加入50%（質(zhì)量百分比）的水時(shí)，乙二醇已經(jīng)完全不發(fā)生爆炸?？梢缘玫竭@樣一個(gè)結(jié)論：在此研究條件下，當(dāng)體系中乙二醇和水的質(zhì)量百分比降低至某個(gè)值a時(shí)，該體系便不再會(huì)發(fā)生爆炸，目前所得的結(jié)果可知3＞a≥1。

2.5 水和氮?dú)鈱?duì)爆炸極限的影響

將體系中的水按照摩爾量換算成氮?dú)?，再與不加水只補(bǔ)充氮?dú)獾谋O限圖相比較，結(jié)果見圖6。

當(dāng)把水假設(shè)成氮?dú)夂螅磳?5%的水換算成同摩爾的氮?dú)?，再與不含水只補(bǔ)充氮?dú)獾囊叶急O限相比較可知，原本應(yīng)該發(fā)生爆炸的陰影區(qū)變成了安全區(qū)。說(shuō)明體系中水對(duì)爆炸極限的影響與氮?dú)獠煌瑯邮嵌栊詺怏w，若把一部分氮?dú)鈸Q成水蒸氣后，爆炸極限明顯變?。幱安糠郑?，因此水對(duì)乙二醇的爆炸極限具有更好的壓縮作用，乙二醇體系中水蒸氣的存在有利于該體系安全系數(shù)的提升。

3 結(jié)論

（1）在不同濃度乙二醇水溶液中，隨著氮?dú)獾脑黾樱叶嫉谋O限不斷縮小，當(dāng)?shù)獨(dú)夂窟_(dá)到一定值時(shí)，該體系不再爆炸；

（2）水比氮?dú)饩哂懈玫貕嚎s乙二醇爆炸極限的作用，體系中醇水質(zhì)量比降低到一定值a時(shí)，體系不再爆炸而進(jìn)入安全區(qū)，其中3＞a≥1。

Determination of Explosion Limits for Ethylene Glycol with Different Amount of Water and Nitrogen in High Temperature

Ji Yundi Cao Liang Zhou Yuehong Li Nan

Explosion limit changes with different temperature,pressure,amount of oxygen and Nitrogan.In this paper,explosion limits of ethylene glycol with different amount of water and nitrogen were determined.The result indicated that the ethylene glycol system will explose when the amount of water or nitrogen increased to a certain number.And water was more effective on compressing the explosion limits than nitrogen.

Explosion;Explosion limit;Ethylene glycol

O 643.2

季云娣 女 1972年生 工程師 主要從事化工工藝的設(shè)計(jì)和研發(fā)

（略）

2010年4月