四、惰性介质保护 惰性气体有氮、氦、氖、氩、氪、氙等。这些气体都没有颜色,没有气味。氦气是空气中的主要成分之一,其他惰性气体在空气中的含量很少。因为惰性气体的化学活性差,所以常用作保护气体。
1.化工生产中惰性介质的使用范围 化工生产中常用的惰性介质除氮外,还有二氧化碳、水蒸气及烟道气。这些气体常用于以下几个方面。
(1)易燃固体物质的粉碎、研磨、筛分、混合以及粉状物料输送时,可用惰性介质保护;
(2)可燃气体混合物在处理过程中加入惰性介质保护;
(3)具有着火爆炸危险的工艺装置、贮罐、管线等配备惰性介质,以备在发生危险时使用。可燃气体的排气系统尾部用氮封;
(4)采用惰性介质(氮气)压送易燃液体;
(5)爆炸性危险场所中,非防爆电器、仪表等的充氮保护以及防腐蚀等;
(6)有着火爆炸危险装置、设备的停车检修处理;
(7)危险物料泄漏时用惰性介质稀释;
使用惰性介质时,要有固定储存输送装置,根据生产情况,物料危险特性,采用不同的惰性气体和不同的装置。例如氢气的充填系统最好备有高压氮气;地下苯贮罐周围应配有高压蒸气管线等。
2.惰性气体用量计算 化工生产中惰性气体需用量取决于系统中氧浓度的下降值。见表5—12。
表5—12部分可燃物质最高允许含氧量,%
可燃物质 |
用二氧化碳 |
用氮 |
可燃物质 |
用二氧化碳 |
用氮 |
甲烷
乙烷
丙烷,丁烷
汽油
乙烯
丙烯
乙醚:
甲醇
乙醇
丁二醇 |
11.5
10.5
11.5
11
9
11
10.5
11
10.5
10.5 |
9.5
9
9.5
9
8
9
8
8.5
8.5 |
氢
一氧化碳
丙酮
苯
煤粉
麦粉
硫磺粉
铝粉
锌粉
|
0
12.5
11
12~15
11
9
2.5
8
|
4
4.5
11
9
7
8
|
惰性气体用量,可根据上表数据按下面公式计算。
(1)所使用的惰性气体不含氧及其他可燃物 Vx=(21- O)÷O ×V
式中Vx——惰性气体用量,米3 ;O——从表5—12中查得氧的最高容许浓度,%;
V——设备中原有的空气容积(其中氧占21%)。
例如乙烷,用氮气保护,最大容许含氧量为9%,设备内原有空气容积为100米3,则Vx=(21-9)÷9×100=133.3米3 。
也就是说必须向空气容积为100米3的设备内送入133.3米3 纯惰性气体,乙烷和空气才不能形成爆炸性混合物(但此时需注意,氮气可使人窒息).
(2)使用的惰性气体中含有部分氧Vx=(21-O)÷(O-O’)×V 式中,O’为惰性气体含氧浓度%,其他同前。例如在前述的条件下,若所加入的氮气中含氧6%,则 Vx=(21-9)÷(9-6)×100=400米3。通入400米3的氮气才是安全的。向有爆炸危险的气体及蒸气中添加保护气体时,应注意保护气体的漏失及空气的混入。为了防止事故发生,应当进行漏失量的测定。例如一个容器装两种气体混合物,其一是保护气体CO2,且CO2浓度随时间而变化,这种变化取决于从周围吸入的空气量。影响漏失量的因素有不严密处的几何尺寸及设备周围的空气压力等设备在正常情况下,这些因素都可取为常数。因此,漏失量C(米3/分)为 C=(2.303×V÷τ)lg(R0/Rτ) 式中V——容器的容积,米3; τ——泄漏时间,分; R0——在τ=0时,CO2的百分含量, Rτ——在时间τ时CO2的百分含量。可以用分析的方法求得CO2的Ro及Rτ值。例如设容积为100米3,Ro=9.1%(CO2 ),分析测定Rτ值,列于下表:
τ(分) |
Rτ(%) |
R0/Rτ |
lg(R0/Rτ) |
C=(2.303×V/τ)×lg(R0/Rτ) |
0
1
2
3
4
5 |
9.1
8.1
7.9
6.5
6.0
5.3 |
1.12
1.15
1.40
1.52
1.72 |
0.049
0.061
0.146
0.179
0.234 |
11.3
7.02
11.2
10.3
10.78 |
总计 |
|
|
|
50.6米2(5分钟内) |
即C≈10米3/分。
3.稀释气体在分解爆炸性气体中的使用
具有分解爆炸危险性的气体,如果超过其分解爆炸的临界压力是危险的,为此,可采用添加惰性气体进行稀释,以抑制爆炸的发生。我们把抑制爆炸所必要的稀释气体浓度,作为分解爆炸性气体—稀释气体的爆炸临界浓度。此值可由实验求得。见下例。
图5—3表示:使用铂丝作为点火源,测定的乙炔爆炸临界值。图中a线表示乙炔—水蒸气混合物中乙炔含量;b线表示点火临界压力;c线表示乙炔分压。图中,乙炔—水蒸气混合物,随着温度上升,水蒸汽浓度提高,乙炔浓度下降,其分压也有所降低,其点火临界压力上升。
图5—4、图5—5、图5—6分别表示乙炔—氢混合气体,乙炔—氮混合气体,乙炔-惰性介质系列的爆炸临界值。
溶剂对乙炔的稳定作用
溶解于溶剂中的乙炔比气相乙炔稳定,即使直接在溶剂中给予点火能也不着火。在一定条件下,乙炔同溶剂或溶解在同一溶剂中的其他物质的反应非常快,但未发现爆炸。
将丙酮加入到小型耐压容器中,加压使乙炔溶解,测定在气相中点火分解爆炸的压力。如图5—7所示,总压低于7公斤/厘米2时,溶剂中乙炔不受气相爆炸影响。但高于7公斤/厘米2,溶剂中的乙炔也会引起分解爆炸。因此,总压在7公斤/厘米2以下时,溶剂中的乙炔较气相乙炔为稳定。