化工裝置阻火器最大實(shí)驗(yàn)安全間隙估算

吳愛(ài)軍

（眾一伍德工程有限公司，上海 200235）

化工裝置的阻火器是阻止火焰蔓延的重要安全設(shè)施，選擇阻火器的關(guān)鍵因素之一是如何確認(rèn)阻火器的MESG，從而確定阻火器的爆炸組類別?；ぱb置中常用化學(xué)物質(zhì)及其混合物的MESG可以查詢現(xiàn)有規(guī)范或依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范提供的公式進(jìn)行計(jì)算，但化工裝置生產(chǎn)的新化學(xué)物質(zhì)越來(lái)越多，新化學(xué)物質(zhì)的MESG從規(guī)范中卻無(wú)法查詢到，導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)中無(wú)法提供該物質(zhì)的MESG。

1 化工裝置設(shè)置阻火器標(biāo)準(zhǔn)及阻火器最大實(shí)驗(yàn)安全間隙分類

1.1 化工裝置阻火器設(shè)置要求

GB50160—2008（2018年版）石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)6.2.19條，甲B、乙類液體的固定頂罐應(yīng)設(shè)阻火器和呼吸閥[1]。

SH/T3413—2019石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)5.0.1，當(dāng)有爆炸性混合物存在的可能且無(wú)其他防止火焰?zhèn)鞑サ脑O(shè)施時(shí)，下列管道系統(tǒng)和容器應(yīng)設(shè)置阻火器：①具有爆炸性氣體的儲(chǔ)罐或容器氣相空間的開(kāi)放式通氣管；②甲B、乙類液體儲(chǔ)罐之間氣相連通管道的分支管道，儲(chǔ)罐頂部油氣排放管道的集合管[2]。

1.2 最大實(shí)驗(yàn)安全間隙

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下（0.1MPa，20℃），剛好使火焰不能通過(guò)的狹縫寬度（狹縫長(zhǎng)度為25mm）。MESG的定義是國(guó)際統(tǒng)一的，取自標(biāo)準(zhǔn)的MESG實(shí)驗(yàn)裝置。

1.3 最大實(shí)驗(yàn)安全間隙分級(jí)

爆炸組級(jí)別和對(duì)應(yīng)的MESG分別為：①ⅡA1級(jí) MESG≥1.14mm；②ⅡA級(jí) MESG＞0.9mm；③ⅡB1級(jí) MESG≥0.85 mm；④ Ⅱ B2級(jí) MESG≥0.75mm；⑤ Ⅱ B3級(jí) MESG≥0.65 mm；⑥ⅡB級(jí) MESG≥0.5mm；⑦ⅡC級(jí) MESG＜0.5mm。

2 最大實(shí)驗(yàn)安全間隙MESG的計(jì)算

2.1 有MESG的純可燃?xì)怏w組分最大實(shí)驗(yàn)安全間隙

直接查找SH/T 3413—2019石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)條文說(shuō)明中表1 或其他規(guī)范公布的數(shù)據(jù)，然后得到該純可燃?xì)怏w組分的MESG。

2.2 有MESG純可燃?xì)怏w組分的混合物/含氮或富氧可燃?xì)怏w組分混合物最大實(shí)驗(yàn)安全間隙

根據(jù)SH/T3413—2019石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 條文說(shuō)明中所列公式進(jìn)行計(jì)算，然后得到MESG值。

2.3 無(wú)MESG的純可燃?xì)怏w及其混合物化學(xué)物質(zhì)的估算

對(duì)于規(guī)范中無(wú)法查詢到的MESG化學(xué)物質(zhì)，建議采用估算值進(jìn)行純可燃?xì)怏w或混合物的MESG估算。具體估算依據(jù)和方法如下：

首先，對(duì)不同化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行分類，將相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)劃分為同類，不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)劃分不同類別；其次，列出幾種同類別分子量較低的化學(xué)物質(zhì)MESG；再次，查看所估算化學(xué)物質(zhì)是否有多種化學(xué)結(jié)構(gòu)，如果有多種化學(xué)機(jī)構(gòu)，需分別列出不同結(jié)構(gòu)分子量較低化學(xué)物質(zhì)的MESG；最后，對(duì)于單一化學(xué)結(jié)構(gòu)（如醇類、醛類、醚類等）的化學(xué)物質(zhì)，取同類中分子量較低的最小MESG進(jìn)行估算；有多種化學(xué)結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)，取多類中分子量較低的最小MESG進(jìn)行估算。

表1是常用化學(xué)物質(zhì)按分類法劃分，其中MESG值來(lái)源于規(guī)范[2]。

表1 MESG分類分組表

續(xù)表

對(duì)于估算出MESG的純可燃?xì)怏w組分組成的混合物MESG值按SH/T 3413—2019條文說(shuō)明中所述公式進(jìn)行計(jì)算，其公式具體如下。

2.3.1 估算MESG的純可燃?xì)怏w組分的混合物MESG值計(jì)算

式中：

MESGC（T）為混合物在溫度T時(shí)的最大實(shí)驗(yàn)安全間隙，mm；

MESGi（T）為混合物中i組分在溫度T時(shí)的最大實(shí)驗(yàn)安全間隙，mm；

為混合物中i組分化學(xué)計(jì)量反應(yīng)所需的相對(duì)氧氣量，按式（2）計(jì)算。

式中：

yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；

Si為混合物中i組分燃燒時(shí)的化學(xué)需氧量對(duì)燃料的摩爾比。

2.3.2 估算MESG的含氮或富氧可燃?xì)怏w組分混合物最大實(shí)驗(yàn)安全間隙

式中：

MESGD為含氮或富氧可燃?xì)怏w混合物的最大實(shí)驗(yàn)安全間隙，mm；

FuelR為燃料比。即不含氮或非富氧燃料混合物在空氣中產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量反應(yīng)所需氧氣的總摩爾數(shù)，與含氮或富氧燃料混合物在空氣中產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量反應(yīng)所需氧氣的總摩爾數(shù)的比值，按式（4）計(jì)算。

式中：

yF為燃料混合物中可燃組分的摩爾分?jǐn)?shù)；

yN2為燃料混合物中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)；

yO2為燃料混合物中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)；

S為燃料混合物的可燃部分的化學(xué)需氧量與燃料的摩爾比，按式（5）計(jì)算。

式中：

yi為多組分燃料混合物中可燃組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；

Si為多組分燃料混合物中i組分燃燒時(shí)的化學(xué)需氧量對(duì)燃料的摩爾比。

2.4 無(wú)MESG的純可燃?xì)怏w及其混合物化學(xué)物質(zhì)的估算的注意事項(xiàng)

（1）該估算方法不適用于含有二硫化碳、一氧化碳和乙炔的混合物：對(duì)于乙?；旌衔飸?yīng)分類為NEC的A組或IIC組[2]。

（2）對(duì)于不同類別的化學(xué)物質(zhì)，MESG值的大小隨著化學(xué)結(jié)構(gòu)不同而不一樣，例如，鏈烴、烯烴和炔烴的MESG值為：鏈烴＞烯烴＞炔烴；酸、酯、酮的MESG值為：酸＞酯＞酮。

（3）估算法計(jì)算出的MESG值和實(shí)驗(yàn)測(cè)試出的值是有差別的，對(duì)于未知MESG的化學(xué)物質(zhì)，需要多查詢相關(guān)規(guī)范，看看是否有最新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試MESG數(shù)據(jù)公布，如有，則采用公布的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)MESG計(jì)算。

（4）對(duì)于估算出的MESG值，設(shè)計(jì)人員在填寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)表或提交阻火器供應(yīng)商時(shí)，建議說(shuō)明MESG值為估算值；另外，設(shè)計(jì)人員也多與阻火器供應(yīng)商溝通，如阻火器供應(yīng)商有新的測(cè)試數(shù)據(jù)或更可靠的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)人員也可采用。

（5）MESG分類估算法主要考慮化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)中的典型基團(tuán)。如果物料分類法中發(fā)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)有多個(gè)典型基團(tuán)，則需分別考慮不同基團(tuán)組MESG值，并從這些組中選擇MESG較低的值作為計(jì)算值，進(jìn)行選型。

（6）溫度和壓力對(duì)MESG值有影響，壓力大、溫度高對(duì)應(yīng)的MESG將更小。

3 計(jì)算實(shí)例

案例1：某化工廠生產(chǎn)3-（二甲基氨基）丙胺，該物質(zhì)熔點(diǎn)為-70℃，相對(duì)密度（空氣=1）為3.52，沸點(diǎn)為134℃，閃點(diǎn)為26℃，燃燒下限（體積分?jǐn)?shù)%）為1.2，自燃溫度219℃，試估算此化學(xué)物質(zhì)的MESG。

解：根據(jù)資料得到該物質(zhì)分子式為（CH3）2N（CH2）3NH2，其主要化學(xué)結(jié)構(gòu)為氨基。故可將該物質(zhì)歸類為胺類組，首先查詢表2得到胺類的MESG值分別是1.05、0.95和1.13；然后取該組中三個(gè)數(shù)值中最小值，即0.95。最后根據(jù)前面所述的估算方法，3-（二甲基氨基）丙胺MESG值可按0.95計(jì)取，再依據(jù)MESG值可知該物質(zhì)爆炸組級(jí)別為2A。

案例2：某氣相混合物中3-（二甲基氨基）丙胺的MESG為0.3（摩爾分?jǐn)?shù)），氮?dú)鉃?.7（摩爾分?jǐn)?shù)），其中3-（二甲基氨基）丙胺MESG為0.95（估算值），試計(jì)算其MESG。

解：根據(jù)估算值氣體混合物MESG計(jì)算方法，此混合物中含有較多氮?dú)猓士砂春蚋谎蹩扇細(xì)怏w組分混合物最大實(shí)驗(yàn)安全間隙計(jì)算公式（3）進(jìn)行估算。

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

由上式知此物質(zhì)化學(xué)需氧量與燃料比s=8.5，另外，該物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)為0.3，代入式（4），

依據(jù)MESG值可知該混合物爆炸組級(jí)別為IIA。

4 結(jié)論

基于化學(xué)結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)分類法，可以在規(guī)范或?qū)嶒?yàn)測(cè)試未提供MESG值的情況下進(jìn)行純物質(zhì)及其混合物的MESG估算。為化工設(shè)計(jì)人員在化工裝置阻火器MESG計(jì)算中提供借鑒和參考。