壓力對乙炔分解爆炸過程的影響規律*

朱云峰，孫 峰，李亞輝，王振剛，劉靜如，姜 杰

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

*基金項目：“十三五”國家重點研發計劃(2017YFC0804707)，典型危險化學品儲運過程火災爆炸防控工程示范。

乙炔是一種重要的基本有機化工原料，在工業上通常作為合成氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈、丁二醇的原料，被廣泛應用于塑料、橡膠、纖維、醫藥、染料、樹脂等有機品的合成，在國民經濟建設中具有重要地位。目前生產乙炔的工藝路線比較多，歸納起來主要包括電石乙炔法、烴類裂解法、煤直接制取法，其中干法電石乙炔工藝在節水和環保方面具有比較明顯的優勢。近年來，我國現有的油井產量逐年下降、新油井又難以在短時間內投產，原油產量增長速度低于原油需求增長速度，今后我國石油乙烯、乙炔原料供應將仍處于緊張狀態，干法電石乙炔工藝的需求也將進一步擴大。

乙炔分子結構的三價鍵極不穩定，易發生親電加成反應、親核加成反應，其點火能只有0.02 mJ，與氫氣接近，只有一般易燃氣體的十分之一，在生產過程中操作不慎、安全設施不齊全等都容易引發火災、爆炸事故[1,2]。本文研究了壓力因素對乙炔發生分解爆炸的影響，為乙炔的安全生產、儲存、使用提供技術支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

a) 最小點火能測試儀。設備為自主研發，采用電容火花放電法測試乙炔發生分解爆炸的最小點火能[3,4]。系統主要包括發生器、混合管、點火腔、精密火花發生器4部分，能量測試系統由穩壓高壓電源、蓄能電容庫、控制系統組成。測試標準參考GB/T 14288-1993《可燃氣體與易燃液體蒸氣最小靜電點火能測定方法》推薦的25次放電法。

b) 爆轟管。設備為自主研發，裝置由爆轟管腔體、點火裝置、控溫控壓系統、數據傳輸采集單元、配氣系統、攝像機等單元組成。在測試過程中，用真空泵將爆轟管抽至真空，將乙炔導入到爆轟管腔體，關閉閥門，通過控溫系統預熱至設定溫度，通過壓縮腔體調節系統壓力。系統達到設定參數條件后進行點火測試，考察乙炔氣發生分解爆炸的特性參數及影響要素。

1.2 試驗樣品

所使用氣體為溶于丙酮的溶解乙炔，購于青島合利氣體有限公司，從鋼瓶減壓釋放后經過水洗、分子篩吸附干燥后進行燃爆測試。

2 實驗結果與討論

在本文的研究中，通過最小點火能測試儀、爆轟管、壓力敏感測試儀等儀器設備，研究了壓力對最小點火能、爆炸后果、點火溫度的影響，以及乙炔發生分解爆炸臨界壓力與溫度的關系，并結合文獻數據對壓力影響因素進行了系統性的分析。

2.1 壓力對最小點火能的影響

氣體越容易引發爆炸，其最小點火能(MIE)越小。本文的研究實驗結果如圖1所示，根據數據擬合可得y=0.0138x-3.514，純乙炔在常壓條件下的點火能為50 J，具有比較高的熱穩定性，當壓力升高至0.2 MPa時(絕壓)，最小點火能降為4.2 J，乙炔氣發生分解爆炸的最小點火能隨壓力的升高有非常大的降低。

糜仲春等人[5]的研究中采用6 000 V的高頻振蕩電火花直接點火，以及氧炔焰直接加熱管壁至暗紅色都沒有發生引發乙炔分解爆炸，而采用壓縮的方式進行點火非常容易發生分解爆炸，這也表明乙炔在常壓條件下具有非常高的穩定性，不易發生分解爆炸，而當壓力升高時極易失控。總體來說壓力是影響乙炔氣發生分解爆炸的敏感因素，乙炔發生分解爆炸風險隨壓力的升高而急劇增大。

圖1 壓力對最小點火能的影響

2.2 壓力對爆炸后果的影響

采用爆轟管實驗考察了乙炔在不同初始壓力條件下發生分解爆炸的失控后果，實驗結果見圖2。從圖2可以看出，系統的初始壓力為0.15，0.35，0.55，0.75，0.95，1.15 MPa時對應的失控最大壓力分別為1.2，3.5，4.8，6.5，8.5，10.9 MPa，在爆轟管有限的空間內并沒有由爆燃轉化為爆轟。乙炔氣發生分解爆炸的失控后果與初始壓力呈現一定的線性關系，分解爆炸后的最大壓力約為初始壓力的8～10倍。乙炔分解爆炸后殘留的固體產物主要為炭黑，如圖3所示。

圖2 初始壓力對爆炸后果的影響

圖3 乙炔分解爆炸后產物

2.3 壓力對分解爆炸點火溫度的影響

Clifford[6]采用電阻絲為點火源考察了壓力對乙炔點火溫度的影響，研究發現點火溫度隨壓力的升高呈現出對數關系，乙炔的點火燃爆溫度隨壓力的升高而降低，隨點火絲直徑的增大而降低。當電阻絲直徑為0.025 cm時，具體表現為以下關系：

lnC=-209.3+4.22×10-4/Ti+24.43Ti

式中：Ti——點火溫度，K；

C——乙炔氣的濃度，mol/L。

乙炔氣相濃度可通過以下bottomley狀態方程求得。

PV=RT+0.0809P

通過計算可得壓力為0.17 MPa時對用的點火溫度為1 250 ℃，結合電石爐的運行情況，電石爐底部出口多采用內盤管水冷，爐體的人孔等配套設施的冷卻也同樣為水冷。在裝置運行過程中，如果冷卻盤管發生泄漏，水會與電石反應生成乙炔，由于爐內溫度遠高于2 000 ℃，此時乙炔會迅速發生分解爆炸，造成嚴重的事故后果。

2.4 溫度對分解爆炸臨界壓力的影響

乙炔在常溫常壓條件下發生分解爆炸需要比較高的引發能量，但當壓力提高到一定程度時, 遇點火源即可發生分解爆炸，該壓力被稱為乙炔分解爆炸的“臨界壓力”。裝置中能夠引發乙炔分解爆炸的能量源有兩種，分別是靜電電弧和高溫熱源，對于靜電的引發過程可通過高壓振蕩電弧模擬。Mizutania等[7]以高能量電弧(50 kV，70 mA，100 ms)為引發源時，得到溫度與乙炔發生分解爆炸臨界壓力的關系，見圖4。可以看出，在-60～20 ℃的范圍內，乙炔分解爆炸的臨界壓力隨初始溫度的升高而降低，臨界壓力由-60 ℃時的0.17 MPa下降到20 ℃時約0.14 MPa，直線斜率為-3.9×10-4MPa/℃。

圖4 低溫條件下初始溫度與乙炔分解爆炸臨界壓力關系(擬合線上方為燃爆點)

Mizutania在實驗過程中的能量值約為350 J，而在裝置實際運行過程中，流體流動引發的靜電能量一般低于10 J，與實際工況差距較大，同時，其測試溫度范圍為-60～20 ℃與實際的乙炔儲運工況有較大的偏離。

本文采用15～40 kV的振蕩電弧為引發源，考察溫度對臨界分解爆炸壓力的影響。實驗結果見圖5，可以看出，在10～180 ℃的溫度范圍內，乙炔分解爆炸的臨界壓力隨著初始溫度的升高而降低，臨界壓力由10 ℃時的0.24 MPa(絕壓)下降到180 ℃時的0.18 MPa(絕壓)，斜率為-3.5×10-4MPa/℃，與Mizutania T等在-60～20 ℃溫度范圍得到的斜率較為接近。

圖5 高溫條件下初始溫度與乙炔分解爆炸臨界壓力關系(擬合線上方為燃爆點)

3 結論

乙炔是一種易燃易爆有機化工原料，壓力為影響乙炔分解爆炸的敏感因素，本文采用最小點火能測試儀、爆轟管等儀器設備定量評估了壓力對乙炔分解爆炸的影響規律，研究結果表明：

a) 乙炔在常壓條件下具有比較高的熱穩定性，發生燃爆的風險隨壓力的升高而急劇增大。

b) 乙炔發生分解爆炸的最小點火能隨壓力的升高呈指數型下降，具體如y=0.013 8x-3.514。

c) 乙炔發生分解爆炸的壓力為系統初始壓力的8～10倍。

d) 乙炔發生分解爆炸的點火溫度隨壓力的升高而降低。

e) 乙炔發生分解爆炸的臨界壓力隨溫度的升高而降低，溫度每升高1℃，臨界壓力降低3.5×10-4MPa。

f) 在乙炔的生產儲運及使用過程中，應綜合考慮溫度的影響并嚴格控制臨界分壓。