化工装置阻火器最大实验安全间隙估算

吴爱军

（众一伍德工程有限公司，上海 200235）

化工装置的阻火器是阻止火焰蔓延的重要安全设施，选择阻火器的关键因素之一是如何确认阻火器的MESG，从而确定阻火器的爆炸组类别。化工装置中常用化学物质及其混合物的MESG可以查询现有规范或依据现有规范提供的公式进行计算，但化工装置生产的新化学物质越来越多，新化学物质的MESG从规范中却无法查询到，导致工程设计中无法提供该物质的MESG。

1 化工装置设置阻火器标准及阻火器最大实验安全间隙分类

1.1 化工装置阻火器设置要求

GB50160—2008（2018年版）石油化工企业设计防火标准6.2.19条，甲B、乙类液体的固定顶罐应设阻火器和呼吸阀[1]。

SH/T3413—2019石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收标准5.0.1，当有爆炸性混合物存在的可能且无其他防止火焰传播的设施时，下列管道系统和容器应设置阻火器：①具有爆炸性气体的储罐或容器气相空间的开放式通气管；②甲B、乙类液体储罐之间气相连通管道的分支管道，储罐顶部油气排放管道的集合管[2]。

1.2 最大实验安全间隙

在标准实验条件下（0.1MPa，20℃），刚好使火焰不能通过的狭缝宽度（狭缝长度为25mm）。MESG的定义是国际统一的，取自标准的MESG实验装置。

1.3 最大实验安全间隙分级

爆炸组级别和对应的MESG分别为：①ⅡA1级 MESG≥1.14mm；②ⅡA级 MESG＞0.9mm；③ⅡB1级 MESG≥0.85 mm；④ Ⅱ B2级 MESG≥0.75mm；⑤ Ⅱ B3级 MESG≥0.65 mm；⑥ⅡB级 MESG≥0.5mm；⑦ⅡC级 MESG＜0.5mm。

2 最大实验安全间隙MESG的计算

2.1 有MESG的纯可燃气体组分最大实验安全间隙

直接查找SH/T 3413—2019石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收标准条文说明中表1 或其他规范公布的数据，然后得到该纯可燃气体组分的MESG。

2.2 有MESG纯可燃气体组分的混合物/含氮或富氧可燃气体组分混合物最大实验安全间隙

根据SH/T3413—2019石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收标准 条文说明中所列公式进行计算，然后得到MESG值。

2.3 无MESG的纯可燃气体及其混合物化学物质的估算

对于规范中无法查询到的MESG化学物质，建议采用估算值进行纯可燃气体或混合物的MESG估算。具体估算依据和方法如下：

首先，对不同化学物质进行分类，将相同化学结构的化学物质划分为同类，不同化学结构的化学物质划分不同类别；其次，列出几种同类别分子量较低的化学物质MESG；再次，查看所估算化学物质是否有多种化学结构，如果有多种化学机构，需分别列出不同结构分子量较低化学物质的MESG；最后，对于单一化学结构（如醇类、醛类、醚类等）的化学物质，取同类中分子量较低的最小MESG进行估算；有多种化学结构的化学物质，取多类中分子量较低的最小MESG进行估算。

表1是常用化学物质按分类法划分，其中MESG值来源于规范[2]。

表1 MESG分类分组表

续表

对于估算出MESG的纯可燃气体组分组成的混合物MESG值按SH/T 3413—2019条文说明中所述公式进行计算，其公式具体如下。

2.3.1 估算MESG的纯可燃气体组分的混合物MESG值计算

式中：

MESGC（T）为混合物在温度T时的最大实验安全间隙，mm；

MESGi（T）为混合物中i组分在温度T时的最大实验安全间隙，mm；

为混合物中i组分化学计量反应所需的相对氧气量，按式（2）计算。

式中：

yi为组分i的摩尔分数；

Si为混合物中i组分燃烧时的化学需氧量对燃料的摩尔比。

2.3.2 估算MESG的含氮或富氧可燃气体组分混合物最大实验安全间隙

式中：

MESGD为含氮或富氧可燃气体混合物的最大实验安全间隙，mm；

FuelR为燃料比。即不含氮或非富氧燃料混合物在空气中产生化学计量反应所需氧气的总摩尔数，与含氮或富氧燃料混合物在空气中产生化学计量反应所需氧气的总摩尔数的比值，按式（4）计算。

式中：

yF为燃料混合物中可燃组分的摩尔分数；

yN2为燃料混合物中氮气的摩尔分数；

yO2为燃料混合物中氧气的摩尔分数；

S为燃料混合物的可燃部分的化学需氧量与燃料的摩尔比，按式（5）计算。

式中：

yi为多组分燃料混合物中可燃组分i的摩尔分数；

Si为多组分燃料混合物中i组分燃烧时的化学需氧量对燃料的摩尔比。

2.4 无MESG的纯可燃气体及其混合物化学物质的估算的注意事项

（1）该估算方法不适用于含有二硫化碳、一氧化碳和乙炔的混合物：对于乙酰基混合物应分类为NEC的A组或IIC组[2]。

（2）对于不同类别的化学物质，MESG值的大小随着化学结构不同而不一样，例如，链烃、烯烃和炔烃的MESG值为：链烃＞烯烃＞炔烃；酸、酯、酮的MESG值为：酸＞酯＞酮。

（3）估算法计算出的MESG值和实验测试出的值是有差别的，对于未知MESG的化学物质，需要多查询相关规范，看看是否有最新的实验测试MESG数据公布，如有，则采用公布的数据进行相关MESG计算。

（4）对于估算出的MESG值，设计人员在填写相关数据表或提交阻火器供应商时，建议说明MESG值为估算值；另外，设计人员也多与阻火器供应商沟通，如阻火器供应商有新的测试数据或更可靠的计算方法，设计人员也可采用。

（5）MESG分类估算法主要考虑化学物质的化学结构中的典型基团。如果物料分类法中发现化学物质有多个典型基团，则需分别考虑不同基团组MESG值，并从这些组中选择MESG较低的值作为计算值，进行选型。

（6）温度和压力对MESG值有影响，压力大、温度高对应的MESG将更小。

3 计算实例

案例1：某化工厂生产3-（二甲基氨基）丙胺，该物质熔点为-70℃，相对密度（空气=1）为3.52，沸点为134℃，闪点为26℃，燃烧下限（体积分数%）为1.2，自燃温度219℃，试估算此化学物质的MESG。

解：根据资料得到该物质分子式为（CH3）2N（CH2）3NH2，其主要化学结构为氨基。故可将该物质归类为胺类组，首先查询表2得到胺类的MESG值分别是1.05、0.95和1.13；然后取该组中三个数值中最小值，即0.95。最后根据前面所述的估算方法，3-（二甲基氨基）丙胺MESG值可按0.95计取，再依据MESG值可知该物质爆炸组级别为2A。

案例2：某气相混合物中3-（二甲基氨基）丙胺的MESG为0.3（摩尔分数），氮气为0.7（摩尔分数），其中3-（二甲基氨基）丙胺MESG为0.95（估算值），试计算其MESG。

解：根据估算值气体混合物MESG计算方法，此混合物中含有较多氮气，故可按含氮或富氧可燃气体组分混合物最大实验安全间隙计算公式（3）进行估算。

3-（二甲基氨基）丙胺燃烧 ：（CH3）2N（CH2）3NH2+8.5O2+N2+5CO2+7H2O

由上式知此物质化学需氧量与燃料比s=8.5，另外，该物质摩尔分数为0.3，代入式（4），

依据MESG值可知该混合物爆炸组级别为IIA。

4 结论

基于化学结构的化学物质分类法，可以在规范或实验测试未提供MESG值的情况下进行纯物质及其混合物的MESG估算。为化工设计人员在化工装置阻火器MESG计算中提供借鉴和参考。