CN110389195B - 电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法及系统 - Google Patents

电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法，该方法包括如下步骤：基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，得到电石与潮湿空气中的水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度；基于释放出的乙炔气体在该气相空间内的浓度，利用预设的电石燃爆安全系数，计算出在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度。本发明随着我国电石相关企业生产安全技术的逐渐完善，在电石生产的企业中有相当的应用推广价值。

Description

电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法及系统
技术领域
本发明涉及化学工程领域，尤其是涉及一种电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法及系统。
背景技术
电石由焦炭和石灰高温电解熔炼而成，广泛应用于合成苯、橡胶、聚氯乙烯、聚乙炔等有机化工产品的生产，属于第4.3类遇湿易燃物品，遇水能迅速反应生成乙炔。乙炔在空气中的爆炸极限为2.3～81％，点火能量仅为0.019mJ，极易被引燃。因此，电石遇湿后具有火灾爆炸的安全隐患，甚至造成严重的火灾爆炸事故。电石不仅能遇水反应，遇潮湿空气也能释放出乙炔气体。通过采取防水、防雨措施可避免电石与水接触，但是在阴雨及相对湿度较大的条件下，电石不可避免会与潮湿空气接触，释放出乙炔气体。因此，确定电石遇潮湿空气释放出的乙炔气体发生燃爆可能性的潮湿空气临界相对湿度，防止生成的乙炔气体浓度达到爆炸极限范围内，对于保障电石企业的生产安全具有非常重要的意义。
现有技术中，有关遇湿易燃物质危险性的研究，主要依据联合国《关于危险货物运输的建议书-试验和标准手册》中化学品遇水反应危险性检测方法，将水与遇湿易燃物质直接接触，根据反应生成的易燃气体释放速率确定其遇湿易燃危险性，但未涉及有关潮湿空气临界相对湿度的评价。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法，该方法包括如下步骤：乙炔浓度计算步骤，基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，得到电石与潮湿空气中的水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度；相对湿度评价步骤，基于释放出的乙炔气体在该气相空间内的浓度，利用预设的电石燃爆安全系数，计算出在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度。
优选地，所述乙炔浓度计算步骤包括：通过空气中水汽含量计算公式，确定潮湿空气中的水汽完全与电石反应生成的乙炔气体的质量；根据完全反应后所述乙炔气体的质量，基于不同温度条件下乙炔气体的密度，得到包含潮湿空气相对湿度参数的目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积。
优选地，在所述乙炔浓度计算步骤中，利用如下表达式表示目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积：
Figure BDA0001633642750000021
其中，V乙炔表示单位气相空间体积中乙炔气体的体积，
Figure BDA0001633642750000022
表示潮湿空气的相对湿度，P表示标准大气压力，PS表示潮湿空气中水汽的分压，ρ乙炔表示目标温度下所述乙炔气体的密度。
优选地，所述相对湿度评价步骤包括：将获取到的乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值与所述电石燃爆安全系数作乘法运算，得到电石燃爆的临界浓度值；利用所述电石燃爆的临界浓度值，将释放出的乙炔气体的浓度控制在该临界浓度值之外，得到在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度的计算式。
优选地，在所述相对湿度评价步骤中，利用如下表达式表示电石燃爆的临界相对湿度的计算式：
Figure BDA0001633642750000023
其中，
Figure BDA0001633642750000024
表示潮湿空气的相对湿度，K表示所述电石燃爆安全系数，ω下表示乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值，P表示标准大气压力，PS表示潮湿空气中水汽的分压，ρ乙炔表示目标温度下乙炔气体的密度。
另一方面，提供了一种电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价系统，该系统包括如下模块：乙炔浓度计算模块，其基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，得到电石与潮湿空气中的水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度；相对湿度评价模块，其基于释放出的乙炔气体在该气相空间内的浓度，利用预设的电石燃爆安全系数，计算出在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度。
优选地，所述乙炔浓度计算模块进一步包括：预处理单元，其通过空气中水汽含量计算公式，确定潮湿空气中的水汽完全与电石反应生成的乙炔气体的质量；乙炔气体浓度获取单元，其根据完全反应后所述乙炔气体的质量，基于不同温度条件下乙炔气体的密度，得到包含潮湿空气相对湿度参数的目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积。
优选地，在所述乙炔浓度计算模块中，利用如下表达式表示目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积：
Figure BDA0001633642750000031
其中，V乙炔表示单位气相空间体积中乙炔气体的体积，
Figure BDA0001633642750000032
表示潮湿空气的相对湿度，P表示标准大气压力，PS表示潮湿空气中水汽的分压，ρ乙炔表示目标温度下所述乙炔气体的密度。
优选地，所述相对湿度评价模块进一步包括：临界浓度值存储单元，其将获取到的乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值与所述电石燃爆安全系数作乘法运算，得到电石燃爆的临界浓度值；电石燃爆环境湿度控制单元，其利用所述电石燃爆的临界浓度值，将释放出的乙炔气体的浓度控制在该临界浓度值之外，得到在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度的计算式。
优选地，在所述相对湿度评价模块中，利用如下表达式表示所述电石燃爆的临界相对湿度的计算式：
Figure BDA0001633642750000033
其中，
Figure BDA0001633642750000034
表示潮湿空气的相对湿度，K表示所述电石燃爆安全系数，ω下表示乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值，P表示标准大气压力，PS表示潮湿空气中水汽的分压，ρ乙炔表示目标温度下乙炔气体的密度。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明提出了一种电石遇潮湿空气发生爆炸的临界相对湿度的计算方法，该方法将生成的乙炔气体的浓度控制在发生火灾爆炸的临界浓度之下，保障了电石企业的生产安全，并具有相当的应用推广价值。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法的步骤图。
图2为本申请实施例的电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法的具体流程图。
图3为本申请实施例的电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价系统的模块框图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本申请实施例提出了一种电石遇潮湿空气燃爆临界相对湿度评价方法，通过潮湿空气的相对湿度变化量表征电石遇潮湿空气生成乙炔气体的释放量，用于评估在一定气相空间内电石遇潮湿空气反应生成乙炔气体发生火灾爆炸的可能性，并提出将电石遇湿生成的乙炔气体浓度控制在低于发生火灾爆炸危险区域的潮湿空气的临界相对湿度计算方法。
图1为本申请实施例的电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法的步骤图。
图2为本申请实施例的电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法的具体流程图。结合图1和图2，在步骤S110中，基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，得到电石与潮湿空气中的水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度。
具体地，首先，用如下公式表示空气中的水汽含量：
Figure BDA0001633642750000041
其中，HS表示潮湿空气中的水汽含量，Kg/Kg；
Figure BDA0001633642750000042
表示潮湿空气的相对湿度；P表示标准大气压力，Pa；PS表示潮湿空气中水汽的分压，Pa。需要说明的是，一般的标准大气压P的值为10132Pa。
通过空气水汽含量计算公式(公式1)，确定潮湿空气中的水汽完全与电石反应后生成的乙炔气体的质量，并用如下表达式表示：
Figure BDA0001633642750000051
其中，m乙炔表示完全反应后乙炔气体的质量，kg；M水表示潮湿空气中水汽的物质的量，kg/kmol；M乙炔表示乙炔的物质的量，kg/kmol。通常，空气中水汽在单位摩尔体积下的物质的量为18.015kg/kmol，乙炔气体在单位摩尔体积下的物质的量为26.04kg/kmol。
然后，将公式(1)代入公式(2)中，根据完全反应后乙炔气体的质量，基于不同温度条件下乙炔气体的密度，得到包含潮湿空气相对湿度参数的目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积，即乙炔气体在当前气相空间内的浓度。需要说明的是，在本例中，当前气相空间的浓度为体积浓度，其中，单位气相空间体积为1m3立方米，利用下列表达式表示目标温度下单位气象空间体积(每平方米空气)中释放出的乙炔气体的体积含量，即乙炔气体的浓度：
Figure BDA0001633642750000052
其中，V乙炔表示释放出的乙炔气体在单位体积空气中的体积，即当前气相空间内的浓度，m3/m3；ρ乙炔表示目标温度下乙炔气体的密度，kg/m3。需要说明的是，在本申请中，采用体积浓度表示上述乙炔气体在该气相空间内的浓度，本申请对此不作具体限定，还可以采用质量浓度或体积-质量等表示。
而后，通过查询不同温度条件下的潮湿空气中水汽的分压Ps和对应温度下乙炔气体的密度ρ乙炔，根据电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度即可计算得到电石遇潮湿空气释放出的乙炔气体在该气相空间的浓度，用于评估发生火灾爆炸危险的可能性。
再次参考图1，并结合图2，当完成乙炔气体在气相空间体积中浓度的计算后，进入到步骤S120中。首先，将获取到的乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值与电石燃爆安全系数作乘法运算，得到电石燃爆的临界浓度值。具体地，将当前计算的释放出的乙炔气体的体积含量(浓度)控制在爆炸极限范围之外，即可消除乙炔发生火灾爆炸的风险。需要说明的是，由于乙炔气体在空气中的爆炸极限范围为2.3～81％，在实际应用过程中，潮湿空气与电石反应释放出的乙炔气体含量达不到爆炸上限浓度，只需考虑将乙炔气体浓度控制在爆炸下限以下。在本例中，乙炔气体爆炸极限的下限值为2.3％。为安全起见，需要定义电石燃爆安全系数这一参数，使得乙炔气体的实际体积含量低于其在空气中爆炸极限的下限值，并将当前的实际体积含量作为达到乙炔发生火灾爆炸的危险临界值(即电石燃爆的临界浓度值)。其中，电石燃爆安全系数理想范围小于1，优选值为0.5，即将乙炔气体在空气中爆炸下限浓度的1/2作为能达到乙炔发生燃爆的危险区域，也就是说乙炔气体在空气中浓度达到1.15％时具有发生燃爆的安全隐患。为了保障石化企业在实际生产、存储等过程的安全性，电石燃爆安全系数最佳的取值范围为：0<K<0.5，本申请对此不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行设定。进一步地说，能够利用如下表达式表示电石遇潮湿空气燃爆的临界浓度值：
V乙炔<K·ω下 (4)
其中，K表示上述电石燃爆安全系数，ω下表示乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值。具体地，在本例中，V乙炔<0.0115。
而后，将公式(3)代入到公式(4)中，将释放出的乙炔气体的浓度控制在该临界浓度值之外，即可推导出乙炔气体浓度在低于发生火灾爆炸危险区域的潮湿空气相对湿度的计算公式，并用如下表达式表示：
Figure BDA0001633642750000061
利用公式(5)便可计算得到将电石遇湿生成的乙炔气体浓度控制在低于发生火灾爆炸危险区域的潮湿空气的临界相对湿度，即公式(5)右侧的计算结果。
(一个示例)在温度T为37℃、常压P为101325Pa条件下，查询到乙炔气体的密度ρ乙炔为1.016kg/m3、潮湿空气中的水汽含量PS为6280Pa，并将上述参数值代入公式(5)中，计算得到
Figure BDA0001633642750000062
这就表示上述温度和大气压条件下电石遇潮湿空气释放出的乙炔气体发生火灾爆炸的临界相对湿度为39％，当潮湿空气的相对湿度
Figure BDA0001633642750000063
小于39％时，具备可实施性(电石存储环境的安全湿度值)。
另外，本申请还提出了一种电石燃爆的临界相对湿度评价系统。
图3为本申请实施例的电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价系统的模块框图。如图3所示，该系统包括乙炔浓度计算模块31和相对湿度评价模块32。其中，乙炔浓度计算模块31，其基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，计算电石与潮湿空气中水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度；相对湿度评价模块32，其基于释放出的乙炔气体在该气相空间内的浓度，利用预设的电石燃爆安全系数，计算出在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度。
具体地，在乙炔浓度计算模块31中，其进一步包括：预处理单元311和乙炔气体浓度获取单元312。首先，预处理单元311，其基于公式(1)计算空气中水汽含量，确定潮湿空气中的水汽完全与电石反应生成的乙炔气体的质量，并用公式(2)进行表示。然后，乙炔气体浓度获取单元312在查询到不同温度下的乙炔气体的密度后，根据从预处理单元311获取到的完全反应后的乙炔气体的质量参数，将该参数与目标温度下的乙炔气体密度进行除法运算，进一步按照上述公式(3)得到该温度条件下的包含潮湿空气相对湿度参数的在单位气相空间体积中乙炔气体的体积，用于评估发生火灾爆炸危险的可能性。
接着，针对相对湿度评价模块32进行具体说明。相对湿度评价模块32包括临界浓度值存储单元321和电石燃爆环境湿度控制单元322。具体地，临界浓度值存储单元321存有预设的乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值(在本例中，该下限值为2.3％)与电石燃爆安全系数(在本例中，该系数为0.5)，将二者作乘法运算后，得到当前电石燃爆的临界浓度值(在本例中，电石燃爆的临界浓度值为0.0115)。而后，电石燃爆环境湿度控制单元322，其利用从临界浓度值存储单元321获取到的当前电石燃爆的临界浓度值，将释放出的乙炔气体的浓度控制在该临界浓度值之外，消除乙炔发生火灾爆炸的风险。为安全起见，该单元322将从乙炔气体浓度获取单元312接收到的当前气相空间体积中乙炔气体的浓度值(在本例中，该浓度值用单位气象空间中的乙炔气体的体积表示，本申请针对浓度值的表示形式不作具体限定)限定为低于当前电石燃爆的临界浓度值，并用公式(4)表示。再将上述公式(3)代入公式(4)中，进一步得到最终的乙炔气体在发生火灾爆炸危险区域的潮湿空气相对湿度的计算公式(公式5)，从而得到电石燃爆的潮湿空气临界相对湿度值。
本发明实施例通过一种电石遇潮湿空气燃爆临界相对湿度评价方法，主要目的是为了对电石生产过程中电石粉尘与潮湿空气反应生成易燃易爆的乙炔气体而引发火灾爆炸危险的可能性进行评估，利用乙炔气体的释放量表示潮湿空气的相对湿度变化量，从而提出将生成的乙炔气体浓度控制在低于发生火灾爆炸危险区域的潮湿空气的临界相对湿度计算方法。使得从事电石生产的企业对本发明方法有一定的需求，并随着我国电石相关企业生产安全技术的逐渐完善，本发明在电石生产的企业中拥有相当的应用推广价值。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
乙炔浓度计算步骤，基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，得到电石与潮湿空气中的水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度；
相对湿度评价步骤，基于释放出的乙炔气体在该气相空间内的浓度，利用预设的电石燃爆安全系数，计算出在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度，其中，所述相对湿度评价步骤包括：
将获取到的乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值与所述电石燃爆安全系数作乘法运算，得到电石燃爆的临界浓度值，所述电石燃爆安全系数用来使得乙炔气体的实际体积含量低于其在空气中爆炸极限的下限值，并将当前的实际体积含量作为达到乙炔发生火灾爆炸的临界浓度值，所述电石燃爆安全系数的范围小于1；
利用所述电石燃爆的临界浓度值，将释放出的乙炔气体的浓度控制在该临界浓度值之外，得到在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度的计算式，并利用如下表达式表示：
Figure FDA0003233217100000011
其中，
Figure FDA0003233217100000012
表示潮湿空气的相对湿度，K表示所述电石燃爆安全系数，ω下表示乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值，P表示标准大气压力，PS表示潮湿空气中水汽的分压，ρ乙炔表示目标温度下乙炔气体的密度。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述乙炔浓度计算步骤包括：
通过空气中水汽含量计算公式，确定潮湿空气中的水汽完全与电石反应生成的乙炔气体的质量；
根据完全反应后所述乙炔气体的质量，基于不同温度条件下乙炔气体的密度，得到包含潮湿空气相对湿度参数的目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积。
3.根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于，在所述乙炔浓度计算步骤中，利用如下表达式表示目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积：
Figure FDA0003233217100000021
其中，V乙炔表示单位气相空间体积中乙炔气体的体积。
4.一种电石遇潮湿空气发生燃爆的临界相对湿度评价系统，其特征在于，该系统包括如下模块：
乙炔浓度计算模块，其基于电石所在气相空间体积和该气相空间潮湿空气的相对湿度，得到电石与潮湿空气中的水汽完全反应释放的乙炔气体在该气相空间内的浓度；
相对湿度评价模块，其基于释放出的乙炔气体在该气相空间内的浓度，利用预设的电石燃爆安全系数，计算出在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度，其中，所述相对湿度评价步骤包括：
将获取到的乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值与所述电石燃爆安全系数作乘法运算，得到电石燃爆的临界浓度值，所述用来使得乙炔气体的实际体积含量低于其在空气中爆炸极限的下限值，并将当前的实际体积含量作为达到乙炔发生火灾爆炸的临界浓度值，所述电石燃爆安全系数电石燃爆安全系数的范围小于1；
利用所述电石燃爆的临界浓度值，将释放出的乙炔气体的浓度控制在该临界浓度值之外，得到在火灾爆炸危险区域内电石燃爆的临界相对湿度的计算式，并利用如下表达式表示：
Figure FDA0003233217100000022
其中，
Figure FDA0003233217100000023
表示潮湿空气的相对湿度，K表示所述电石燃爆安全系数，ω下表示乙炔气体在空气中燃爆极限的下限值，P表示标准大气压力，PS表示潮湿空气中水汽的分压，ρ乙炔表示目标温度下乙炔气体的密度。
5.根据权利要求4所述的评价系统，其特征在于，所述乙炔浓度计算模块进一步包括：
预处理单元，其通过空气中水汽含量计算公式，确定潮湿空气中的水汽完全与电石反应生成的乙炔气体的质量；
乙炔气体浓度获取单元，其根据完全反应后所述乙炔气体的质量，基于不同温度条件下乙炔气体的密度，得到包含潮湿空气相对湿度参数的目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积。
6.根据权利要求5所述的评价系统，其特征在于，在所述乙炔浓度计算模块中，利用如下表达式表示目标温度下单位气相空间体积中乙炔气体的体积：
Figure FDA0003233217100000031
其中，V乙炔表示单位气相空间体积中乙炔气体的体积。
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