高温乙二醇在不同水和氮气含量下爆炸极限的测定

季云娣 曹 亮 周月红 李 楠

上海华谊集团上硫化工有限公司 （上海 200431）

高温乙二醇在不同水和氮气含量下爆炸极限的测定

季云娣 曹 亮 周月红 李 楠

上海华谊集团上硫化工有限公司 （上海 200431）

爆炸极限不是固定不变的，它随温度、压力、含氧量、氮气含量等因素的变化而变化。利用自制爆炸容器，在高温下（260℃），改变氮气和水蒸气含量，测定乙二醇的爆炸极限，通过分析得出随着氮气和水蒸气含量的增加，乙二醇的爆炸极限不断缩小，达到一定值时，该体系不再爆炸，而进入安全区域。而水比氮气具有更加好的压缩乙二醇爆炸极限的作用。

爆炸 爆炸极限 乙二醇

可燃物质（可燃气体、蒸汽和粉尘）与空气（或氧气）在一定浓度范围内混合，遇到明火后会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限。爆炸极限在化工生产上，往往将装置的操作条件控制在所涉及可燃气体爆炸极限以外的安全区，离爆炸极限范围越远，生产的安全性就越高。常规爆炸极限通常是在常温常压等标准条件下测定出来的数据，不是固定的物理常数。同一种可燃物质的爆炸极限也不是固定不变的，它随温度、压力、含氧量、氮气含量等因素的变化而变化。常温下各种可燃气体在空气中的爆炸极限数据已经很充足[2]，但在高温、贫氧及含水蒸气的条件下，爆炸极限的数据却很罕见。本实验以自制的爆炸极限测定装置测定了乙二醇在高温（260℃）、氮气增加（贫氧）及含水蒸气条件下的爆炸极限，并对测定结果进行比较分析。

1 实验部分

1.1 试剂

乙二醇，上海试剂四厂昆山分厂，分析纯。

1.2 实验装置及流程（见图1）

常温下爆炸极限的测定，通常采用Zabetakis-Coward-Jones法[3]，但在加热条件下无法将该体系恒定在同一温度下，因此它不适合非常温下爆炸极限的测定。本实验采用圆柱形不锈钢爆炸容器（Ø：10.0 cm，h：16.0 cm），易于恒定爆炸体系的温度，数据的再现性好。具体操作流程如下：

乙二醇（或乙二醇水溶液）由平流泵打进汽化室，汽化后与预热过的空气和额外补充的氮气混合，进入爆炸容器。在每个条件下平衡20min，然后关闭爆炸容器的进口出口，打开爆炸容器连接气球的阀门，保持容器内的温度在260℃，通过点火装置在容器内打出电火花（约10万伏脉冲）来引发爆炸，若气球有明显充气则说明发生了爆炸。每个条件重复实验三次，其中有一次发生爆炸即认为该点在爆炸极限范围之内。本实验是在乙二醇溶液含不同水量（质量分数）0%、25%、50%时，随着补充氮气量的增加，测定乙二醇的爆炸极限，并绘制成曲线图。本实验所指补充氮气的量不包括空气中的氮气，而是额外加入的氮气的量。

2 实验结果

2.1 不含水的乙二醇的爆炸极限

乙二醇汽化后与空气、氮气混合，在260℃以补充氮气的量和乙二醇浓度为坐标得到爆炸极限曲线，见图2（图中数据点均采用摩尔分数，以下同）。其中折线为实验点连线，曲线为模拟线。本体系中只含有乙二醇、氮气和氧气。图中各点氧含量可通过下式计算得到：

式中的N2%为额外加入的氮气的摩尔分数。

由图2看出，在260℃时，乙二醇在空气中，即在没有补充额外氮气时的爆炸极限是2.69%～15.78%，这与所查的常温爆炸极限（3.2%～15.3%）很接近但略有扩大，这说明升高温度使爆炸极限的范围扩大，与理论相符。随着氮气量的增加，乙二醇的爆炸极限被不断压缩，即上限下降，下限上升。最终，在补充氮气量在30%左右时，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℃，当氧含量低于13.0%时，就不存在爆炸极限。

2.2 乙二醇∶水=1∶1（质量百分比）时的爆炸极限

水的质量分数为50%的乙二醇水溶液经汽化室汽化后与空气、氮气混合，260℃时同样以补充氮气量和乙二醇浓度为坐标，得到的爆炸极限见图3。本体系中含有乙二醇、水、氮气和氧气。图中各点均为摩尔分数，由于醇水比为定值，水和氧含量可分别通过下式计算得到：

H2O%=乙二醇%×62/18

O2%=（1-乙二醇%-H2O%-N2%）×0.21

式中的N2%为额外加入的氮气的摩尔分数。

从图3可以看出，在乙二醇的水溶液中，当水的质量分数为50%时，在不补充氮气的条件下不发生爆炸。因此，260℃时，50%的乙二醇水溶液在空气中爆炸极限被完全压缩，不会发生爆炸。

2.3 乙二醇∶水=3∶1（质量百分比）时的爆炸极限

水的质量分数为25%的乙二醇水溶液经汽化室汽化后与空气、氮气混合，260℃时同样以补充氮气量和乙二醇浓度为坐标，得到的爆炸极限见图4。其中折线为实验点连线，曲线为模拟线。本体系中含有乙二醇、水、氮气和氧气。图中各点均为摩尔分数，由于醇水比为定值，水和氧含量可分别通过下式计算得到：

H2O%=乙二醇%×62/3/18

O2%=（1-乙二醇%-H2O%-N2%）×0.21

式中的N2%为额外加入的氮气的摩尔分数。

由图4可以看出，随着氮气含量的增加，乙二醇爆炸下限增大的趋势很慢，而爆炸上限则迅速下降，在补充的氮气含量在约12%时，乙二醇的爆炸上下限于9%附近重合，不再发生爆炸。此时水和氧含量约为：

以粗略估算得到，260℃，75%乙二醇水溶液，当氧含量低于14.4%时，爆炸极限消失。

2.4 不同水含量的乙二醇爆炸极限比较

由图5可见，随着水的加入，乙二醇的爆炸区间迅速减小，加入50%（质量百分比）的水时，乙二醇已经完全不发生爆炸。可以得到这样一个结论：在此研究条件下，当体系中乙二醇和水的质量百分比降低至某个值a时，该体系便不再会发生爆炸，目前所得的结果可知3＞a≥1。

2.5 水和氮气对爆炸极限的影响

将体系中的水按照摩尔量换算成氮气，再与不加水只补充氮气的爆炸极限图相比较，结果见图6。

当把水假设成氮气后，即将25%的水换算成同摩尔的氮气，再与不含水只补充氮气的乙二醇爆炸极限相比较可知，原本应该发生爆炸的阴影区变成了安全区。说明体系中水对爆炸极限的影响与氮气不同，同样是惰性气体，若把一部分氮气换成水蒸气后，爆炸极限明显变小（阴影部分），因此水对乙二醇的爆炸极限具有更好的压缩作用，乙二醇体系中水蒸气的存在有利于该体系安全系数的提升。

3 结论

（1）在不同浓度乙二醇水溶液中，随着氮气的增加，乙二醇的爆炸极限不断缩小，当氮气含量达到一定值时，该体系不再爆炸；

（2）水比氮气具有更好地压缩乙二醇爆炸极限的作用，体系中醇水质量比降低到一定值a时，体系不再爆炸而进入安全区，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 工程师 主要从事化工工艺的设计和研发

（略）

2010年4月