丙酮法测溶解乙炔纯度的分析与优化

张占元，李 铭，严 峻，吴 宇

(成都产品质量检验研究院有限责任公司，四川 成都 610100)

1 引言

溶解乙炔是指将生产的气态乙炔压缩充装至填有多孔填料的溶剂(一般采用丙酮)的钢瓶内，使乙炔气体溶解于丙酮液体中，达到安全贮存、运输和使用方便目的的一种乙炔形态。它被广泛的用于照明、焊接、切割及各种火焰加工，能满足科研、施工等特殊用户的需要。在当今迅猛发展的国民经济中占有及其重要的地位，是国家大力发展和推广的一项新工艺。而溶解乙炔中的乙炔气是由电石即碳化钙与水作用或天然气裂解制得[1-3]，其中含有磷化氢、硫化氢等杂质，这些杂质超标对生产安全有很大危害[4-6]，如其中PH3体积分数为2×10-4甚至更高时，可使乙炔的自燃点显著降低，大概100℃左右就能发生自燃[7]。因此溶解乙炔中乙炔的体积分数，即乙炔纯度，是溶解乙炔非常重要的一项指标。

目前乙炔纯度的检测主要有四种方法，1.杂质扣除法；2.溴素法；3.发烟硫酸法；4.丙酮法；其中国标 GB 6819-2004《溶解乙炔》中乙炔纯度的测定以溴素法为仲裁法。杂质扣除法原理是利用气相色谱仪分别检测出溶解乙炔气体中每种杂质的体积分数，扣除杂质后的体积分数即为溶解乙炔的纯度。溴素法则是乙炔被溴化钾的溴饱和溶液吸收，发生化学反应生成四溴乙烷，根据溴饱和溶液吸收后的体积测定乙炔纯度。发烟硫酸法是乙炔与发烟硫酸发生化学反应，根据乙炔气被发烟硫酸吸收后体积的减少，直接从伦格奥萨特仪器的量气管上读取乙炔纯度。丙酮法则是基于乙炔在丙酮中的强溶解性原理，根据丙酮溶液吸收后的体积测定乙炔纯度。

四种方法从检测原理上认为杂质扣除法所得结果为溶解乙炔的真实纯度，但其需要配备特殊气相色谱仪，成本高且不易携带，限制了其现场监督执法检验的应用，溴素法和发烟硫酸法则是根据化学反应来判定乙炔纯度的，但由于溴水有剧毒，发烟硫酸也属于危险易制毒化学品，难以通过市场渠道获得，且发烟硫酸法需先用球胆采好样后方可试验，操作繁琐，限制了它们的使用。丙酮法是基于乙炔在丙酮中的强溶解性原理，无剧烈化学反应，安全且易于携带，方便现场监督执法检验。上海计量测试研究院姜阳等人对比了其中三种方法的测试结果，他们对同一溶解乙炔样品分别用杂质扣除法、溴素法、丙酮法对其进行分析，所得结果其纯度：溴法>杂质扣除法>丙酮法，在环境温度为 20℃时，溴素法所得结果比真实值大 0.3%，丙酮法所得结果比真实值小 1.0%[8]。

鉴于丙酮法测乙炔纯度的误差较仲裁法大，本文旨在通过研究不同温度和不同比例的丙酮水溶液对丙酮法的影响，以期找到最优条件的丙酮法，从而简化乙炔纯度的测定，方便溶解乙炔的现场快速检验。

2 实验部分

2.1 材料

样品：3个不同厂家生产的溶解乙炔系列。

2.2 仪器和试剂

仪器：乙炔气体吸收管：玻璃制，带分度，容量为50mL,分度为100。

试剂：丙酮；去离子水。

2.3 实验方法及相关测试

丙酮法的试验方法是按照国家标准GB 6819-2004《溶解乙炔》中溴素法进行，只是将吸收液由溴化钾的溴饱和溶液改为丙酮水溶液，即取充气后静止8小时以上的气瓶，检验时放出乙炔气充装量的5%(质量分数)，气温高于28℃的地区，采样前可适当增加乙炔气释放量，但最多不应超过乙炔气充装量的15%(质量分数)。将待测乙炔气瓶的气门与乙炔气体吸收管的入口用乳胶管连接，进行采样，数秒后，先关闭气体吸收管的上面旋塞，顺次关闭下面旋塞，断开气源，迅速转动下面旋塞，使吸收管内部压力与外界气压相平衡。将丙酮水溶液倒入，慢慢转动上面旋塞，使吸收液缓缓流人，待丙酮水溶液不再流入时，吸收完毕，读取液面刻度，此数值即是丙酮法测得的乙炔纯度。对样品采用不同温度、不同比例的丙酮水溶液作为吸收液进行一系列测试，并对测试结果进行对比，同时进行溴素法测量，得到溴素法的实测值。

3 结果与分析

3.1 不同温度的丙酮水溶液对测定的影响

不同温度的同一比例丙酮水溶液对测定结果的影响如表1所示。由表 1 可知，丙酮法测得的溶解乙炔纯度在丙酮水溶液中水占比略小的情况下，随着丙酮水溶液温度的升高而降低，分析原因可知，在水占比略小的丙酮水溶液中，温度越高，丙酮挥发越多，乙炔没有完全被液相中丙酮吸收，液相中的丙酮体积有所减少，而乙炔的浓度值是由液相体积推算出来的，因此乙炔纯度随着丙酮水溶液温度的升高而降低，而在水占比略大的丙酮水溶液中，当前实验范围内的温度升高，对丙酮挥发影响较小，而对乙炔的溶解速率却有极大的提高，因此在水占比略大的丙酮水溶液中，乙炔纯度随着丙酮水溶液温度的升高而升高。

表1 不同温度测试结果的对比

图1 不同温度、不同比例的丙酮水溶液的测试结果趋势图

3.2 不同比例的丙酮水溶液对测定的影响

不同比例的丙酮水溶液对测定结果的影响如表 2、图2所示。由图2可知，丙酮法测得的溶解乙炔中乙炔纯度随着丙酮水溶液中水的占比的升高先升高后降低，这是由于随着丙酮水溶液中水的占比的升高，丙酮挥发减少，乙炔被液相中丙酮吸收变多，推算出的乙炔纯度也越高，但随着水的占比的进一步升高，其中丙酮含量降低，乙炔溶解速率急速下降，大大延长了乙炔在液相中丙酮的溶解时间，导致测试结果降低。

表2 不同比例丙酮水溶液测试结果的对比

图2 同一温度下不同比例的丙酮水溶液测试结果趋势图

3.3 不同温度、不同比例的丙酮水溶液的共同作用对测定的影响

综合分析表 1，图1，表2，图2，从中可以推导出，丙酮法测得的溶解乙炔的纯度受丙酮水溶液的温度和水占比共同影响，相互作用，因此，实际测试过程中针对不同环境温度，通过使用不同配比的丙酮水溶液可以更趋近于溴素法所测值，如10℃，丙酮∶水=10∶1时，所得实测值(98.3%)更接近溴素法所得值(98.4%)，20℃时，丙酮∶水=8∶1，其值更接近，而30℃时，则为丙酮∶水=4∶1。由此，我们可以粗略推导，春秋季时，使用丙酮法测乙炔纯度时，丙酮水溶液比例为8∶1更宜，而夏季时，则使用4∶1的丙酮水溶液更好，这样得出的结果也更准确。

4 结论

通过对3组不同厂家的溶解乙炔进行不同温度和不同比例丙酮水溶液的处理方式，测得乙炔纯度，对比发现，随着丙酮水溶液温度的升高，乙炔纯度的测试结果先降低后升高，但随着丙酮水溶液中水占比的升高，测试结果先升高后降低。综合分析可知，采用丙酮法测定溶解乙炔纯度时，当温度为10～20℃时(春秋季)，宜采用8∶1的丙酮水溶液，当温度为30℃(夏季)，宜采用4∶1的丙酮水溶液，这样得出的结果与仲裁法所得结果更接近，更准确。