丙酮法測溶解乙炔純度的分析與優化

張占元，李 銘，嚴 峻，吳 宇

(成都產品質量檢驗研究院有限責任公司，四川 成都 610100)

1 引言

溶解乙炔是指將生產的氣態乙炔壓縮充裝至填有多孔填料的溶劑(一般采用丙酮)的鋼瓶內，使乙炔氣體溶解于丙酮液體中，達到安全貯存、運輸和使用方便目的的一種乙炔形態。它被廣泛的用于照明、焊接、切割及各種火焰加工，能滿足科研、施工等特殊用戶的需要。在當今迅猛發展的國民經濟中占有及其重要的地位，是國家大力發展和推廣的一項新工藝。而溶解乙炔中的乙炔氣是由電石即碳化鈣與水作用或天然氣裂解制得[1-3]，其中含有磷化氫、硫化氫等雜質，這些雜質超標對生產安全有很大危害[4-6]，如其中PH3體積分數為2×10-4甚至更高時，可使乙炔的自燃點顯著降低，大概100℃左右就能發生自燃[7]。因此溶解乙炔中乙炔的體積分數，即乙炔純度，是溶解乙炔非常重要的一項指標。

目前乙炔純度的檢測主要有四種方法，1.雜質扣除法；2.溴素法；3.發煙硫酸法；4.丙酮法；其中國標 GB 6819-2004《溶解乙炔》中乙炔純度的測定以溴素法為仲裁法。雜質扣除法原理是利用氣相色譜儀分別檢測出溶解乙炔氣體中每種雜質的體積分數，扣除雜質后的體積分數即為溶解乙炔的純度。溴素法則是乙炔被溴化鉀的溴飽和溶液吸收，發生化學反應生成四溴乙烷，根據溴飽和溶液吸收后的體積測定乙炔純度。發煙硫酸法是乙炔與發煙硫酸發生化學反應，根據乙炔氣被發煙硫酸吸收后體積的減少，直接從倫格奧薩特儀器的量氣管上讀取乙炔純度。丙酮法則是基于乙炔在丙酮中的強溶解性原理，根據丙酮溶液吸收后的體積測定乙炔純度。

四種方法從檢測原理上認為雜質扣除法所得結果為溶解乙炔的真實純度，但其需要配備特殊氣相色譜儀，成本高且不易攜帶，限制了其現場監督執法檢驗的應用，溴素法和發煙硫酸法則是根據化學反應來判定乙炔純度的，但由于溴水有劇毒，發煙硫酸也屬于危險易制毒化學品，難以通過市場渠道獲得，且發煙硫酸法需先用球膽采好樣后方可試驗，操作繁瑣，限制了它們的使用。丙酮法是基于乙炔在丙酮中的強溶解性原理，無劇烈化學反應，安全且易于攜帶，方便現場監督執法檢驗。上海計量測試研究院姜陽等人對比了其中三種方法的測試結果，他們對同一溶解乙炔樣品分別用雜質扣除法、溴素法、丙酮法對其進行分析，所得結果其純度：溴法>雜質扣除法>丙酮法，在環境溫度為 20℃時，溴素法所得結果比真實值大 0.3%，丙酮法所得結果比真實值小 1.0%[8]。

鑒于丙酮法測乙炔純度的誤差較仲裁法大，本文旨在通過研究不同溫度和不同比例的丙酮水溶液對丙酮法的影響，以期找到最優條件的丙酮法，從而簡化乙炔純度的測定，方便溶解乙炔的現場快速檢驗。

2 實驗部分

2.1 材料

樣品：3個不同廠家生產的溶解乙炔系列。

2.2 儀器和試劑

儀器：乙炔氣體吸收管：玻璃制，帶分度，容量為50mL,分度為100。

試劑：丙酮；去離子水。

2.3 實驗方法及相關測試

丙酮法的試驗方法是按照國家標準GB 6819-2004《溶解乙炔》中溴素法進行，只是將吸收液由溴化鉀的溴飽和溶液改為丙酮水溶液，即取充氣后靜止8小時以上的氣瓶，檢驗時放出乙炔氣充裝量的5%(質量分數)，氣溫高于28℃的地區，采樣前可適當增加乙炔氣釋放量，但最多不應超過乙炔氣充裝量的15%(質量分數)。將待測乙炔氣瓶的氣門與乙炔氣體吸收管的入口用乳膠管連接，進行采樣，數秒后，先關閉氣體吸收管的上面旋塞，順次關閉下面旋塞，斷開氣源，迅速轉動下面旋塞，使吸收管內部壓力與外界氣壓相平衡。將丙酮水溶液倒入，慢慢轉動上面旋塞，使吸收液緩緩流人，待丙酮水溶液不再流入時，吸收完畢，讀取液面刻度，此數值即是丙酮法測得的乙炔純度。對樣品采用不同溫度、不同比例的丙酮水溶液作為吸收液進行一系列測試，并對測試結果進行對比，同時進行溴素法測量，得到溴素法的實測值。

3 結果與分析

3.1 不同溫度的丙酮水溶液對測定的影響

不同溫度的同一比例丙酮水溶液對測定結果的影響如表1所示。由表 1 可知，丙酮法測得的溶解乙炔純度在丙酮水溶液中水占比略小的情況下，隨著丙酮水溶液溫度的升高而降低，分析原因可知，在水占比略小的丙酮水溶液中，溫度越高，丙酮揮發越多，乙炔沒有完全被液相中丙酮吸收，液相中的丙酮體積有所減少，而乙炔的濃度值是由液相體積推算出來的，因此乙炔純度隨著丙酮水溶液溫度的升高而降低，而在水占比略大的丙酮水溶液中，當前實驗范圍內的溫度升高，對丙酮揮發影響較小，而對乙炔的溶解速率卻有極大的提高，因此在水占比略大的丙酮水溶液中，乙炔純度隨著丙酮水溶液溫度的升高而升高。

表1 不同溫度測試結果的對比

圖1 不同溫度、不同比例的丙酮水溶液的測試結果趨勢圖

3.2 不同比例的丙酮水溶液對測定的影響

不同比例的丙酮水溶液對測定結果的影響如表 2、圖2所示。由圖2可知，丙酮法測得的溶解乙炔中乙炔純度隨著丙酮水溶液中水的占比的升高先升高后降低，這是由于隨著丙酮水溶液中水的占比的升高，丙酮揮發減少，乙炔被液相中丙酮吸收變多，推算出的乙炔純度也越高，但隨著水的占比的進一步升高，其中丙酮含量降低，乙炔溶解速率急速下降，大大延長了乙炔在液相中丙酮的溶解時間，導致測試結果降低。

表2 不同比例丙酮水溶液測試結果的對比

圖2 同一溫度下不同比例的丙酮水溶液測試結果趨勢圖

3.3 不同溫度、不同比例的丙酮水溶液的共同作用對測定的影響

綜合分析表 1，圖1，表2，圖2，從中可以推導出，丙酮法測得的溶解乙炔的純度受丙酮水溶液的溫度和水占比共同影響，相互作用，因此，實際測試過程中針對不同環境溫度，通過使用不同配比的丙酮水溶液可以更趨近于溴素法所測值，如10℃，丙酮∶水=10∶1時，所得實測值(98.3%)更接近溴素法所得值(98.4%)，20℃時，丙酮∶水=8∶1，其值更接近，而30℃時，則為丙酮∶水=4∶1。由此，我們可以粗略推導，春秋季時，使用丙酮法測乙炔純度時，丙酮水溶液比例為8∶1更宜，而夏季時，則使用4∶1的丙酮水溶液更好，這樣得出的結果也更準確。

4 結論

通過對3組不同廠家的溶解乙炔進行不同溫度和不同比例丙酮水溶液的處理方式，測得乙炔純度，對比發現，隨著丙酮水溶液溫度的升高，乙炔純度的測試結果先降低后升高，但隨著丙酮水溶液中水占比的升高，測試結果先升高后降低。綜合分析可知，采用丙酮法測定溶解乙炔純度時，當溫度為10～20℃時(春秋季)，宜采用8∶1的丙酮水溶液，當溫度為30℃(夏季)，宜采用4∶1的丙酮水溶液，這樣得出的結果與仲裁法所得結果更接近，更準確。