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本文作者之一喬文俊

干燥箱的防爆探索

喬文俊  董梅芳

20055

作者部門:技術開發部

作者職務:高級工程師 工程師

 

 :本文提出了普通干燥箱用于有機物烘干時發生爆炸的機理并就此提出了結構、操作與電氣方面的防范措施。

 

 
一、概述
普通干燥箱和防爆型的干燥箱就安全規范而言是完全不同的兩種設備。研究普通型干燥箱的防爆問題,原因在于有些用戶提出了對這些干燥箱的防爆要求。一些用戶在烘干經汽油和有機溶劑清潔或者浸漬的零部件時,這些汽油、有機溶劑和油漆的揮發物均有易燃特性。另外一些單位還有可能利用烘箱用分餾方法少量提取重質餾分,被分離出的輕質餾分如是易燃物質,則同樣存在防爆問題。這里探索的內容,僅在于正確認識普通干燥箱存在的安全問題及提高其安全使用的可能性。
爆炸的物理解釋是氣體在短時間內體積發生急劇膨脹,膨脹產生的瞬間高壓超過了容器的強度極限,爆炸就發生了。伴隨爆炸通常還會發生光、火、氣浪、容器碎片或射線沖擊,因而構成了爆炸對環境的危害。為了達到防止發生爆炸而僅僅在加強干燥箱的殼體強度上做文章是不現實的。有關文章就電工產品的各種防爆型式進行過介紹。本文想以易燃物質的構成和性質方面作為切入點,進而對普通型干燥箱的安全措施和使用提出意見。
二、有機化合物的易燃特性分析
無論是汽油、酒精、甲苯還是油漆,它們均屬于有機化合物。區別在于酒精、甲苯的構成是以一種為主,物理性質比較單純。而汽油、油漆往往是多種烴的正構物,異構物和其他非烴類雜質構成,物理性質相對比較復雜,但它們具有以下共性:
1  易燃。
2  能夠溶解其它有關有機物。
3  易揮發。
4  大部分有機化合物揮發出的蒸汽比重大于空氣比重。
汽油和油漆由于是多種烴的混合物,在干餾點(溫度)以前,隨著溫度的升高,其蒸發溫度比較低的成分將首先被蒸發成氣體,直至干餾點。因此對于這類有機化合物,在烘箱溫度未達干餾點前,箱內始終存在著危險氣氛。而不像單純的酒精、甲苯,一旦到達蒸發溫度,只要恒溫一段時間即可蒸發干凈。
有機化合物的易燃特性可以從以下三點來說明:
1  自燃。在無明火狀態下,環境溫度升高到有機化合物的自燃溫度,這些有機化合物即自行發生燃燒。
2  閃點低。烘箱溫度在閃點以上時,有機化合物蒸汽即使遇上一點星火也可以引起燃燒。有機化合物的閃點一般都很低,甚至在零度以下。說明在通常溫度條件下,這些有機化合物蒸汽一遇上明火即可發生閃火現象,由閃火而引起有機物的燃燒。
3  爆炸極限低。爆炸極限是以體積百分比的形式給出的。以甲苯為例,容器中的甲苯蒸汽體積只要達到1.2 %即具備了發生爆炸的必要條件。汽油的爆炸極限也只有1.4 %
三、干燥箱的防爆措施及附加操作意見
通過以上分析可見,干燥箱的防爆措施需要服從以下規律:
1  箱內嚴禁用明火發熱元件進行加熱,防止由閃火而引起爆炸。加熱管表面流經有機蒸汽情況下,其表面最高溫度不得超過有機蒸汽的自燃溫度。
電氣控制系統不得有引起跳火的元器件。如不得不用時必須布置于箱體外并對此部分電器加以正壓通風。
2  箱體的控溫和超溫控制系統必須絕對可靠,確保箱內溫度不會超過有機蒸汽的自燃溫度。必要時應采用連鎖設計、雙重獨立超溫保護和超溫噴淋降溫系統等。
3  箱體結構必須有能量釋放部分(如安全門等)。這是控制爆炸對環境危害的一種辨證方法。只要結構設計許可,其開啟壓力應盡可能小而開啟面積盡可能大。
4 根據有機蒸汽爆炸極限下限的體積百分比及蒸發量設計換氣通風循環系統,防止箱內有機蒸汽的積累超過爆炸極限下限。最好能測出工作室內有機蒸汽的(體積百分比)濃度,以使設備及時作出保護反應。但目前還沒有這種可以應用于各種有機蒸汽濃度測量的傳感器。
被烘物體在擱板上的位置應作出專門規定,以便被烘物體均勻受熱并使蒸發出的有機蒸汽及時被帶離物體表面。
5  如果有機蒸汽的比重大于空氣比重時,風道設計應有效地防止有機蒸汽下沉于烘箱底部或死角內。因此箱體內壁應光滑,也便于清潔。設計加熱部分位置時,還需要考慮熱輻射對被烘物體可能產生的影響。
6  活動的機械部分應采取防磨擦起火星的安全措施。高速運轉部件有可能發生磨擦的部位應采納安全間隙設計和軟金屬結構。有可能積蓄靜電的部位應考慮接地問題。
采納以上措施的干燥箱在操作程序中應附加以下要求:
1  首先打開風機,在箱內空氣處于抽風狀態下放入被烘物體。
2  關上箱門后先循環抽風(4倍工作室容積以上)再接通加熱開關,使大量在常溫下蒸發的有機蒸汽先行排出箱外。
3  加熱功率逐步上升,避免溫度過沖使加熱管表面溫度或箱內溫度超過有機蒸汽的自燃溫度。以汽油為例,根據不同有機物的出溫度,加熱功率至少分四檔。第一檔以65℃為最高點加熱,恒溫一段時間,使低蒸發溫度有機蒸汽排出箱外(約占總量10)。第二檔以130℃為最高點加熱,使累計總量50的有機蒸汽被排出箱外,第三檔以200℃溫度加熱,使累計總量90的有機蒸汽排出箱外。第四檔以205℃加熱,使所有有機蒸汽排出箱外。每一檔之間的溫度切換應保持較小的升溫速率,并均應根據被烘物體的形狀和布置密度保持一定的恒溫時間,以便使所有有機蒸汽在各自的蒸發溫度區域內蒸發遺盡。
以上僅以汽油為例。對于各種不同性能的有機化合物,升溫恒溫方法均應建立在對其物理性能有足夠了解的基礎上才能確定。
4  用戶設定加熱溫度時,需根據箱體的溫度均勻度指標的上限和溫度波動度的上限設定。因為箱內有些部位的實際溫度由于以上兩個指標有正負幅度范圍的關系很可能高于設定的名義溫度。同時由于傳感器安裝位置的差異和被烘物體安放位置的不同,儀表反映的溫度不一定與工作室中心點的實際溫度相一致。這些都需要在設定加熱溫度時根據實際情況加以考慮和修正。用戶在選購和使用干燥箱時,也必須注意設備的這些技術參數和結構特點。
5  盛放被烘物體的托盤推入擱板時,速度不宜過快。托盤內不應殘留有液態溶劑。嚴禁液態溶劑流滴至工作室底部的傳熱部位。
6  干燥箱安裝定位時,墻壁離烘箱距離可考慮以下公式推算,小于3m的,間距不小于0.6m。
s0.6v/31/3
式中
s—間距,m
v—干燥箱容積,m
干燥箱的進風口保證絕對無其它障礙物,排出的有機蒸汽應被可靠地引出室外。
干燥箱周圍安裝保護欄桿,防止其它物體堆放到干燥箱周圍而影響安全門動作。
四、控制系統
這類干燥箱的控制系統的設計與一般干燥箱相比有其特殊的要求。
首先儀表的控制精度和可靠性要高,漂移要小。絕對不允許出現大的溫度過沖現象。感溫元件不能采用裸露的玻璃電阻,必須要有鎧裝或金屬套管封裝。設定的起始升溫速率不能太大,至少應考慮逐級升溫的方式,以免蒸發溫度比較低的成分因急劇蒸發而達到爆炸極限。在控制可靠的前提下,還必須考慮有保險系數較大的報警系統。
控制系統必須保證加熱前先有一定時間的預通風程序。運行過程中,通風系統一旦出現故障,控制系統應能及時發出報警信號。
控制系統應對壓力進行檢測。壓力是產生爆炸的一個直接因數,當壓力出現異常時控制系統應能及時發出報警信號。
設置報警系統的目的就是為了延緩被烘物體的蒸發速度,避免箱內壓力和濃度的劇增。所以無論是溫度、壓力、濃度、通風系統出現單一或組合的臨界信號,干燥箱的報警系統都要做到自動切斷加熱熱源、打開排氣孔或安全門、保持風機的循環抽風狀態。
盡管設想了一個安全的保護系統,但要特別注意,保護系統一旦出現故障,那將比沒有保護更加危險,為此應當考慮故障的自檢和自動保險問題。
防爆型的干燥箱,其控制系統決非是一個單一的溫度控制。由于各種有機蒸汽的易燃易爆特性、蒸發溫度及其壓力和濃度的報警范圍、預通風時間等都不盡相同,諸多因素綜合在一起,用一般的控制規律就較難實現,采用模糊、加權等新的控制算法值得探討。
 
附錄
Ⅰ級場所用防爆電氣設備設計標準及A.B.C.D組物質的特性

Ⅰ級場所用防爆電氣設備設計標準

可燃物質的特性

組別

最大安全間隙

mm

最大壓力強度

kg/cm2

最高表面溫度℃

名稱

閃點

自燃溫度

爆炸極限

(體積百分比)

下限  上限

蒸汽的比重(空氣=1.0

A

0.075

23.9

280

乙炔

氣體

299

2.5

100

0.9

B

0.075

21.08

280

環氧乙烷

-17.8

429

3.6

100

1.5

C

0.254

17.57

180

乙烯

氣體

490

2.7

36

1.0

D

0.738

11.67

280

丙酮

-17.8

465

2.6

12.8*

2.0

乙醇

13

365

3.3

19

1

汽油

(56-64辛烷值)

-42.8

280

1.4

7.6

3-4

汽油(100辛烷值)

-37.8

456

1.4

7.4

3-4

甲苯

4.5

480

1.2

7.1

3.1

混合二甲苯(磷位異構物)

27.2

465

1.1

7

3.7

 
注:本表摘自朱松源著《談談爆炸危險場所的劃分問題》一文中第二章節“各國對危險場所等級劃分介紹”中的“美國危險場所劃分的規定”。美國國家電氣法規(      NEC)規定:根據可燃物質的類型分成Ⅰ..Ⅲ三級危險場所,氣體又分為四組。
  帶*的數字因原件模糊,故僅供參考。

 

 
 

參考文獻

1、《化工生產環境條件及其對電工產品的要求》——朱松源(化工部化工設計公司)

2、《談談爆炸危險場所的劃分問題》  ——朱松源

3、《汽車發動機燃料供給及調節系統》  ——吉林工業大學內燃機教研室

4、《內部產生可燃性揮發物的電加熱烘爐·Ⅰ型烘爐》

——澳大利亞AS1686-1974:UDC621.365-213.34

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上次修改時間: 2002-12-16 12:18

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