有效磷含量對硝酸銨溶液臨界爆溫的影響規律研究

張凱

化工安全

有效磷含量對硝酸銨溶液臨界爆溫的影響規律研究

張凱

（首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京100070）

采取硝酸銨水溶液熱爆炸裝置研究了在不同有效磷含量下硝酸銨水溶液的熱爆炸規律，分別設置了2℃/min、3℃/min和5℃/min三個溫度梯度。結果表明：有效磷的加入可以適當提高硝酸銨溶液的穩定性，在3℃/min升溫速率下，臨界爆溫整體比在其他加熱速率時要高。在2℃/min時，整體臨界爆溫是三組中最低的，研究數據對指導硝酸銨的安全生產具有重要意義。

有效磷；硝酸銨溶液；臨界爆溫

隨著農業的發展，我國對高濃度復合肥的需求量日益增加。硝銨磷肥便是其中一種，其主要成分硝酸銨（AN）主要用作肥料、工業用和軍用炸藥[1]。由于其原料來源豐富、制造工藝簡單、成本低廉、加工方便，以硝酸銨作為原料的炸藥已經成為最主要的工業炸藥。與此同時，由于硝酸銨的自反應特性及其強氧化特性，國內外曾經發生過多起重大事故[2]。

在很多工業生產中，用磷酸一銨、洗滌液和硝銨磷（含90%硝酸銨和10%磷酸一銨）按一定比例合成的硝銨共漿溶液來生產復合肥[4]。其主要成分中含有硝酸銨，使得復合肥在配制、儲存、運輸和使用過程中，可能會因為硝酸銨的分解放出熱量而導致燃燒或爆炸，從而造成嚴重的人員和財產損失[5]。本課題主要針對其中一點，即不同有效磷含量對AN溶液臨界爆溫的影響規律展開研究，以期對AN的安全性評估提供理論指導，從理論上豐富硝酸銨溶液的爆炸機理。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

圖1 實驗裝置原理圖

實驗采用的是小容量加熱試驗法。用到的裝置有：加熱爐、爆炸罐、溫控儀、熱電偶、防護箱和計算機。

實驗裝置原理：將裝有磷酸一銨和硝酸銨混合溶液樣品的爆炸罐置于加熱爐中，通過調節溫控儀來控制加熱爐的升溫速率等參數（如3℃/min），在絕熱狀態下對爆炸罐進行加熱，使罐內的樣品溶液按照一定的升溫速率升溫，發生化學反應，爆炸罐上裝有E型熱電偶測量溶液樣品的溫度，溫控儀的一邊連著熱電偶，另一邊連著計算機。當溫度升至預設的初始溫度后，按照“自行加熱-恒溫等待-加熱”的方式循環操作，直至樣品溶液發生爆炸。在計算機上通過動態數據采集系統自行繪制出溫度隨時間的變化規律曲線（包括升溫標準線、罐溫和內溫）。

1.2 實驗步驟

考慮到儀器的局限性及藥品的經濟實用性，實驗藥品選用硝酸銨和磷酸一銨（有效五氧化二磷含量為45%），以磷酸一銨中P2O5含量作為有效磷含量。實驗采用的是2℃/min、3℃/min及5℃/min三個溫度梯度進行測試。

1.2.1 配溶液

實驗采取的是濃度為85%的硝酸銨溶液。向85%硝酸銨溶液（其中蒸餾水質量為1.5 g，硝酸銨質量為8.5 g）中分別加入磷酸一銨，配置成含量為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%有效磷的混合溶液，另外設空白組進行對照。通過計算所得各實驗小組配方如表1。

表1 實驗配方

1.2.2 裝藥

取配好既定濃度的溶液置于反應罐中，用石棉墊、密封膠帶和螺栓將其密封裝配好，螺栓一定要緊固至少兩次，然后放入絕熱加熱爐中，把熱電偶插到指定位置，閉合防護箱。

1.2.3 數據記錄及圖像采集

計算機開啟溫度動態數據采集系統，根據初始溫度設置好直接加熱的溫度和設置P（比例）參數，溫控表在預先設定的運行參數的控制下，很快將溫度上升到預設的初始溫度，然后按照自行加熱-恒溫等待-加熱的方式操作，直到爆炸或400℃為止。觀察溫度的變化，待到快要爆炸時注意溫度的突變，并記下爆炸溫度。待采集結束后將數據和圖像保存至指定文件夾。

1.3 實驗結果

（1）在3℃/min升溫速率下，10 g 85%AN溶液臨界爆溫為：罐溫：286.5℃；內溫：285.4℃；加入不同濃度P2O5臨界爆溫情況見表2。

表23 ℃/min下不同濃度P2O5對硝酸銨臨界爆溫的影響

根據表2測得的結果，可以得出在3℃/min下不同濃度有效磷含量對AN臨界爆溫的影響，由此可繪出濃度與爆溫的關系，見圖2（光滑曲線為趨勢線）:

圖23 ℃/min下不同濃度P2O5對硝酸銨臨界爆溫的影響

在3℃/min下，85%AN溶液隨溫度變化的溫度-時間曲線見圖3，含3%濃度的P2O5與85%硝酸銨混合溶液的溫度-時間曲線見圖4。

圖385 %AN溶液溫度-時間曲線

圖4 含有3%P2O5溫度-時間曲線

（2）在2℃/min升溫速率下，10 g 85%硝酸銨溶液臨界爆溫為：罐溫：279.8℃；內溫：283.9℃。含不同濃度P2O5混合溶液的臨界爆溫情況見表3。

表32 ℃/min下不同濃度P2O5對硝酸銨臨界爆溫的影響

根據表3測得的結果，可以在2℃/min下得出不同濃度有效磷含量對AN臨界爆溫的影響，由此可繪出濃度與爆溫的關系，如圖5所示（光滑曲線為趨勢線）:

圖5 2℃/min下P2O5對AN臨界爆溫的影響

在2℃/min下，85%AN溶液隨溫度變化的溫度-時間曲線如圖6所示，含3%濃度的P2O5與85%AN混合溶液的溫度-時間曲線見圖7。

（3）在5℃/min升溫速率下，10 g的85%硝酸銨溶液臨界爆溫為：罐溫：288.8℃；內溫：287.5℃。含不同濃度P2O5混合溶液的臨界爆溫情況見表5。

根據表5測得的結果，可繪出在5℃/min下不同濃度有效磷含量對AN臨界爆溫的影響曲線，如圖8（光滑曲線為趨勢線）。

圖685 %硝酸銨溶液溫度-時間曲線

圖7 含有3%P2O5溫度-時間曲線

表45 ℃/min下不同濃度P2O5對硝酸銨臨界爆溫的影響

圖85 ℃/min下不同濃度P2O5對硝酸銨臨界爆溫的影響

在5℃/min下，85%AN溶液隨溫度變化的溫度-時間曲線見圖9，3%濃度的P2O5與AN混合溶液的溫度-時間曲線見圖10。

圖9 85%硝酸銨溶液溫度-時間曲線

圖10 含3%P2O5溫度-時間曲線

（4）不同升溫速率的臨界爆溫對比曲線見圖11。

圖11 不同升溫速率的對比曲線

1.4 實驗結果分析

（1）由實驗結果可知：在研究范圍內，隨著有效磷含量的變化，AN溶液的臨界爆溫并沒有發生明顯的線性變化，而是隨曲線變化的。在濃度為1%～4%時，臨界爆溫隨濃度增大而增大。分析數據可知，在P2O5含量為4%時，硝酸銨溶液臨界爆溫出現了極大值。而在3℃/min和5℃/min實驗中，有效磷濃度為6%時臨界爆溫出現了另一個極大值。

（2）在三個溫度梯度下，不加磷酸一銨時85%硝酸銨溶液臨界爆溫與加磷酸一銨溶液臨界爆溫對比，發現磷酸一銨的加入可以適當提高硝酸銨溶液的穩定性。

（3）在3℃/min升溫速率下，臨界爆溫整體比其他加熱速率時要高。在2℃/min時，整體臨界爆溫是三組中最低的。

（4）在所有數據圖像中，大約在加熱到93℃時，圖像會出現一小段斜率為零的線段，這是由于此時溫控儀進行功率轉換出現的采集延遲。

2 結論

實驗通過小容量加熱試驗法[3]對不同有效磷含量的AN溶液展開研究，分別采用了2℃/min、3℃/min和5℃/min三個溫度加熱梯度。結果表明：向濃度為85%AN溶液中加入不同濃度磷酸一銨，均可使得原溶液臨界爆溫增高。隨著濃度的遞增，混合溶液的臨界爆溫并非線性變化的，而是在有效磷含量為4%和6%時，混合溶液的臨界爆溫出現了極大值。經分析可得以下結論。

（1）向85%的硝酸銨溶液中加入有效磷可以提高硝酸銨溶液的臨界爆溫，說明有效磷的加入可以加強硝酸銨溶液的熱穩定性和熱安全性。

（2）隨著加入的有效磷濃度的變化，混合溶液的臨界爆溫非線性變化。在有效磷含量為4%和6%時，混合溶液的臨界爆溫出現了兩個極大值，說明此刻混合溶液的熱穩定性和安全性較高；在濃度為5%時，臨界爆溫出現了極小值，說明此時安全性較低。

（3）在實驗結果分析中，以多組實驗數據的最小溫度作為對象，并沒有選取平均溫度，是因為考慮到實際應用中的安全性和可靠性，旨在為現實生產提供更有指導意義的理論數據。

[1]王立慶.硝酸銨的安全管理[J].勞動保護，2013，（10）:95.

[2]孫占輝，孫金華，陸守香，等.無機酸對硝酸銨熱穩定性影響的研究[J].中國安全科學學報，2005，15（9）:57.

[3]王悅，曹雄，劉冰，等.硝銨共漿溶液熱安全性研究[J].工業安全與環保，2013，39（3）:28.

[4]Turcotte R，Lightfoot P D，Fouchard R，et al.Thermal hazard assessment of AN and AN-based explosives[J].Journal of Hazardous Materials，2003，101（1）:26.

[5]Jimmie C O，James L S，Evan R，et al.Ammonium nitrate:thermal stability and explosivity modifiers[J].T hermochimica Acta，2002，384（1-2）:45.

The Influence of Available Phosphorus on the Critical Explosion Temperature of Ammonium Nitrate Solution

ZHANG Kai
（College of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

The thermal explosion of ammonium nitrate aqueous solution under different effective phosphorus contents was studied by using ammonium nitrate aqueous solution thermal explosion device.Three temperature gradients were set at 2℃/min，3℃/min and 5℃/min，respectively.The results showed that the addition of available phosphorus can improve the stability of ammonium nitrate solution，and the critical explosion temperature is higher than that of other heating rate at the heating rate of 3℃/min.At 2℃/min，the whole critical explosion temperature is the lowest among the three groups.The research data are of great significance to guide the safe production of ammonium nitrate.

available phosphorus;ammonium nitrate;critical temperature

1006-4184（2017）3-0038-04

2016-12-05

張凱（1993-），女，山西晉城人，在讀碩士研究生，主要從事化工及消防安全管理研究。E-mail：457848635@qq.com。