高溫乙二醇在不同水和氮氣含量下爆炸極限的測定

季云娣 曹 亮 周月紅 李 楠

上海華誼集團上硫化工有限公司 （上海 200431）

高溫乙二醇在不同水和氮氣含量下爆炸極限的測定

季云娣 曹 亮 周月紅 李 楠

上海華誼集團上硫化工有限公司 （上海 200431）

爆炸極限不是固定不變的，它隨溫度、壓力、含氧量、氮氣含量等因素的變化而變化。利用自制爆炸容器，在高溫下（260℃），改變氮氣和水蒸氣含量，測定乙二醇的爆炸極限，通過分析得出隨著氮氣和水蒸氣含量的增加，乙二醇的爆炸極限不斷縮小，達到一定值時，該體系不再爆炸，而進入安全區(qū)域。而水比氮氣具有更加好的壓縮乙二醇爆炸極限的作用。

爆炸 爆炸極限 乙二醇

可燃物質（可燃氣體、蒸汽和粉塵）與空氣（或氧氣）在一定濃度范圍內混合，遇到明火后會發(fā)生爆炸，這個濃度范圍稱為爆炸極限。爆炸極限在化工生產上，往往將裝置的操作條件控制在所涉及可燃氣體爆炸極限以外的安全區(qū)，離爆炸極限范圍越遠，生產的安全性就越高。常規(guī)爆炸極限通常是在常溫常壓等標準條件下測定出來的數據，不是固定的物理常數。同一種可燃物質的爆炸極限也不是固定不變的，它隨溫度、壓力、含氧量、氮氣含量等因素的變化而變化。常溫下各種可燃氣體在空氣中的爆炸極限數據已經很充足[2]，但在高溫、貧氧及含水蒸氣的條件下，爆炸極限的數據卻很罕見。本實驗以自制的爆炸極限測定裝置測定了乙二醇在高溫（260℃）、氮氣增加（貧氧）及含水蒸氣條件下的爆炸極限，并對測定結果進行比較分析。

1 實驗部分

1.1 試劑

乙二醇，上海試劑四廠昆山分廠，分析純。

1.2 實驗裝置及流程（見圖1）

常溫下爆炸極限的測定，通常采用Zabetakis-Coward-Jones法[3]，但在加熱條件下無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定。本實驗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，數據的再現性好。具體操作流程如下：

乙二醇（或乙二醇水溶液）由平流泵打進汽化室，汽化后與預熱過的空氣和額外補充的氮氣混合，進入爆炸容器。在每個條件下平衡20min，然后關閉爆炸容器的進口出口，打開爆炸容器連接氣球的閥門，保持容器內的溫度在260℃，通過點火裝置在容器內打出電火花（約10萬伏脈沖）來引發(fā)爆炸，若氣球有明顯充氣則說明發(fā)生了爆炸。每個條件重復實驗三次，其中有一次發(fā)生爆炸即認為該點在爆炸極限范圍之內。本實驗是在乙二醇溶液含不同水量（質量分數）0%、25%、50%時，隨著補充氮氣量的增加，測定乙二醇的爆炸極限，并繪制成曲線圖。本實驗所指補充氮氣的量不包括空氣中的氮氣，而是額外加入的氮氣的量。

2 實驗結果

2.1 不含水的乙二醇的爆炸極限

乙二醇汽化后與空氣、氮氣混合，在260℃以補充氮氣的量和乙二醇濃度為坐標得到爆炸極限曲線，見圖2（圖中數據點均采用摩爾分數，以下同）。其中折線為實驗點連線，曲線為模擬線。本體系中只含有乙二醇、氮氣和氧氣。圖中各點氧含量可通過下式計算得到：

式中的N2%為額外加入的氮氣的摩爾分數。

由圖2看出，在260℃時，乙二醇在空氣中，即在沒有補充額外氮氣時的爆炸極限是2.69%～15.78%，這與所查的常溫爆炸極限（3.2%～15.3%）很接近但略有擴大，這說明升高溫度使爆炸極限的范圍擴大，與理論相符。隨著氮氣量的增加，乙二醇的爆炸極限被不斷壓縮，即上限下降，下限上升。最終，在補充氮氣量在30%左右時，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℃，當氧含量低于13.0%時，就不存在爆炸極限。

2.2 乙二醇∶水=1∶1（質量百分比）時的爆炸極限

水的質量分數為50%的乙二醇水溶液經汽化室汽化后與空氣、氮氣混合，260℃時同樣以補充氮氣量和乙二醇濃度為坐標，得到的爆炸極限見圖3。本體系中含有乙二醇、水、氮氣和氧氣。圖中各點均為摩爾分數，由于醇水比為定值，水和氧含量可分別通過下式計算得到：

H2O%=乙二醇%×62/18

O2%=（1-乙二醇%-H2O%-N2%）×0.21

式中的N2%為額外加入的氮氣的摩爾分數。

從圖3可以看出，在乙二醇的水溶液中，當水的質量分數為50%時，在不補充氮氣的條件下不發(fā)生爆炸。因此，260℃時，50%的乙二醇水溶液在空氣中爆炸極限被完全壓縮，不會發(fā)生爆炸。

2.3 乙二醇∶水=3∶1（質量百分比）時的爆炸極限

水的質量分數為25%的乙二醇水溶液經汽化室汽化后與空氣、氮氣混合，260℃時同樣以補充氮氣量和乙二醇濃度為坐標，得到的爆炸極限見圖4。其中折線為實驗點連線，曲線為模擬線。本體系中含有乙二醇、水、氮氣和氧氣。圖中各點均為摩爾分數，由于醇水比為定值，水和氧含量可分別通過下式計算得到：

H2O%=乙二醇%×62/3/18

O2%=（1-乙二醇%-H2O%-N2%）×0.21

式中的N2%為額外加入的氮氣的摩爾分數。

由圖4可以看出，隨著氮氣含量的增加，乙二醇爆炸下限增大的趨勢很慢，而爆炸上限則迅速下降，在補充的氮氣含量在約12%時，乙二醇的爆炸上下限于9%附近重合，不再發(fā)生爆炸。此時水和氧含量約為：

以粗略估算得到，260℃，75%乙二醇水溶液，當氧含量低于14.4%時，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%（質量百分比）的水時，乙二醇已經完全不發(fā)生爆炸。可以得到這樣一個結論：在此研究條件下，當體系中乙二醇和水的質量百分比降低至某個值a時，該體系便不再會發(fā)生爆炸，目前所得的結果可知3＞a≥1。

2.5 水和氮氣對爆炸極限的影響

將體系中的水按照摩爾量換算成氮氣，再與不加水只補充氮氣的爆炸極限圖相比較，結果見圖6。

當把水假設成氮氣后，即將25%的水換算成同摩爾的氮氣，再與不含水只補充氮氣的乙二醇爆炸極限相比較可知，原本應該發(fā)生爆炸的陰影區(qū)變成了安全區(qū)。說明體系中水對爆炸極限的影響與氮氣不同，同樣是惰性氣體，若把一部分氮氣換成水蒸氣后，爆炸極限明顯變小（陰影部分），因此水對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的提升。

3 結論

（1）在不同濃度乙二醇水溶液中，隨著氮氣的增加，乙二醇的爆炸極限不斷縮小，當氮氣含量達到一定值時，該體系不再爆炸；

（2）水比氮氣具有更好地壓縮乙二醇爆炸極限的作用，體系中醇水質量比降低到一定值a時，體系不再爆炸而進入安全區(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計和研發(fā)

（略）

2010年4月