压力对乙炔分解爆炸过程的影响规律*

朱云峰，孙 峰，李亚辉，王振刚，刘静如，姜 杰

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

*基金项目：“十三五”国家重点研发计划(2017YFC0804707)，典型危险化学品储运过程火灾爆炸防控工程示范。

乙炔是一种重要的基本有机化工原料，在工业上通常作为合成氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈、丁二醇的原料，被广泛应用于塑料、橡胶、纤维、医药、染料、树脂等有机品的合成，在国民经济建设中具有重要地位。目前生产乙炔的工艺路线比较多，归纳起来主要包括电石乙炔法、烃类裂解法、煤直接制取法，其中干法电石乙炔工艺在节水和环保方面具有比较明显的优势。近年来，我国现有的油井产量逐年下降、新油井又难以在短时间内投产，原油产量增长速度低于原油需求增长速度，今后我国石油乙烯、乙炔原料供应将仍处于紧张状态，干法电石乙炔工艺的需求也将进一步扩大。

乙炔分子结构的三价键极不稳定，易发生亲电加成反应、亲核加成反应，其点火能只有0.02 mJ，与氢气接近，只有一般易燃气体的十分之一，在生产过程中操作不慎、安全设施不齐全等都容易引发火灾、爆炸事故[1,2]。本文研究了压力因素对乙炔发生分解爆炸的影响，为乙炔的安全生产、储存、使用提供技术支撑。

1 试验部分

1.1 试验设备

a) 最小点火能测试仪。设备为自主研发，采用电容火花放电法测试乙炔发生分解爆炸的最小点火能[3,4]。系统主要包括发生器、混合管、点火腔、精密火花发生器4部分，能量测试系统由稳压高压电源、蓄能电容库、控制系统组成。测试标准参考GB/T 14288-1993《可燃气体与易燃液体蒸气最小静电点火能测定方法》推荐的25次放电法。

b) 爆轰管。设备为自主研发，装置由爆轰管腔体、点火装置、控温控压系统、数据传输采集单元、配气系统、摄像机等单元组成。在测试过程中，用真空泵将爆轰管抽至真空，将乙炔导入到爆轰管腔体，关闭阀门，通过控温系统预热至设定温度，通过压缩腔体调节系统压力。系统达到设定参数条件后进行点火测试，考察乙炔气发生分解爆炸的特性参数及影响要素。

1.2 试验样品

所使用气体为溶于丙酮的溶解乙炔，购于青岛合利气体有限公司，从钢瓶减压释放后经过水洗、分子筛吸附干燥后进行燃爆测试。

2 实验结果与讨论

在本文的研究中，通过最小点火能测试仪、爆轰管、压力敏感测试仪等仪器设备，研究了压力对最小点火能、爆炸后果、点火温度的影响，以及乙炔发生分解爆炸临界压力与温度的关系，并结合文献数据对压力影响因素进行了系统性的分析。

2.1 压力对最小点火能的影响

气体越容易引发爆炸，其最小点火能(MIE)越小。本文的研究实验结果如图1所示，根据数据拟合可得y=0.0138x-3.514，纯乙炔在常压条件下的点火能为50 J，具有比较高的热稳定性，当压力升高至0.2 MPa时(绝压)，最小点火能降为4.2 J，乙炔气发生分解爆炸的最小点火能随压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的高频振荡电火花直接点火，以及氧炔焰直接加热管壁至暗红色都没有发生引发乙炔分解爆炸，而采用压缩的方式进行点火非常容易发生分解爆炸，这也表明乙炔在常压条件下具有非常高的稳定性，不易发生分解爆炸，而当压力升高时极易失控。总体来说压力是影响乙炔气发生分解爆炸的敏感因素，乙炔发生分解爆炸风险随压力的升高而急剧增大。

图1 压力对最小点火能的影响

2.2 压力对爆炸后果的影响

采用爆轰管实验考察了乙炔在不同初始压力条件下发生分解爆炸的失控后果，实验结果见图2。从图2可以看出，系统的初始压力为0.15，0.35，0.55，0.75，0.95，1.15 MPa时对应的失控最大压力分别为1.2，3.5，4.8，6.5，8.5，10.9 MPa，在爆轰管有限的空间内并没有由爆燃转化为爆轰。乙炔气发生分解爆炸的失控后果与初始压力呈现一定的线性关系，分解爆炸后的最大压力约为初始压力的8～10倍。乙炔分解爆炸后残留的固体产物主要为炭黑，如图3所示。

图2 初始压力对爆炸后果的影响

图3 乙炔分解爆炸后产物

2.3 压力对分解爆炸点火温度的影响

Clifford[6]采用电阻丝为点火源考察了压力对乙炔点火温度的影响，研究发现点火温度随压力的升高呈现出对数关系，乙炔的点火燃爆温度随压力的升高而降低，随点火丝直径的增大而降低。当电阻丝直径为0.025 cm时，具体表现为以下关系：

lnC=-209.3+4.22×10-4/Ti+24.43Ti

式中：Ti——点火温度，K；

C——乙炔气的浓度，mol/L。

乙炔气相浓度可通过以下bottomley状态方程求得。

PV=RT+0.0809P

通过计算可得压力为0.17 MPa时对用的点火温度为1 250 ℃，结合电石炉的运行情况，电石炉底部出口多采用内盘管水冷，炉体的人孔等配套设施的冷却也同样为水冷。在装置运行过程中，如果冷却盘管发生泄漏，水会与电石反应生成乙炔，由于炉内温度远高于2 000 ℃，此时乙炔会迅速发生分解爆炸，造成严重的事故后果。

2.4 温度对分解爆炸临界压力的影响

乙炔在常温常压条件下发生分解爆炸需要比较高的引发能量，但当压力提高到一定程度时, 遇点火源即可发生分解爆炸，该压力被称为乙炔分解爆炸的“临界压力”。装置中能够引发乙炔分解爆炸的能量源有两种，分别是静电电弧和高温热源，对于静电的引发过程可通过高压振荡电弧模拟。Mizutania等[7]以高能量电弧(50 kV，70 mA，100 ms)为引发源时，得到温度与乙炔发生分解爆炸临界压力的关系，见图4。可以看出，在-60～20 ℃的范围内，乙炔分解爆炸的临界压力随初始温度的升高而降低，临界压力由-60 ℃时的0.17 MPa下降到20 ℃时约0.14 MPa，直线斜率为-3.9×10-4MPa/℃。

图4 低温条件下初始温度与乙炔分解爆炸临界压力关系(拟合线上方为燃爆点)

Mizutania在实验过程中的能量值约为350 J，而在装置实际运行过程中，流体流动引发的静电能量一般低于10 J，与实际工况差距较大，同时，其测试温度范围为-60～20 ℃与实际的乙炔储运工况有较大的偏离。

本文采用15～40 kV的振荡电弧为引发源，考察温度对临界分解爆炸压力的影响。实验结果见图5，可以看出，在10～180 ℃的温度范围内，乙炔分解爆炸的临界压力随着初始温度的升高而降低，临界压力由10 ℃时的0.24 MPa(绝压)下降到180 ℃时的0.18 MPa(绝压)，斜率为-3.5×10-4MPa/℃，与Mizutania T等在-60～20 ℃温度范围得到的斜率较为接近。

图5 高温条件下初始温度与乙炔分解爆炸临界压力关系(拟合线上方为燃爆点)

3 结论

乙炔是一种易燃易爆有机化工原料，压力为影响乙炔分解爆炸的敏感因素，本文采用最小点火能测试仪、爆轰管等仪器设备定量评估了压力对乙炔分解爆炸的影响规律，研究结果表明：

a) 乙炔在常压条件下具有比较高的热稳定性，发生燃爆的风险随压力的升高而急剧增大。

b) 乙炔发生分解爆炸的最小点火能随压力的升高呈指数型下降，具体如y=0.013 8x-3.514。

c) 乙炔发生分解爆炸的压力为系统初始压力的8～10倍。

d) 乙炔发生分解爆炸的点火温度随压力的升高而降低。

e) 乙炔发生分解爆炸的临界压力随温度的升高而降低，温度每升高1℃，临界压力降低3.5×10-4MPa。

f) 在乙炔的生产储运及使用过程中，应综合考虑温度的影响并严格控制临界分压。