化工裝置阻火器最大實驗安全間隙估算

吳愛軍

（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施，選擇阻火器的關鍵因素之一是如何確認阻火器的MESG，從而確定阻火器的爆炸組類別。化工裝置中常用化學物質及其混合物的MESG可以查詢現(xiàn)有規(guī)范或依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范提供的公式進行計算，但化工裝置生產的新化學物質越來越多，新化學物質的MESG從規(guī)范中卻無法查詢到，導致工程設計中無法提供該物質的MESG。

1 化工裝置設置阻火器標準及阻火器最大實驗安全間隙分類

1.1 化工裝置阻火器設置要求

GB50160—2008（2018年版）石油化工企業(yè)設計防火標準6.2.19條，甲B、乙類液體的固定頂罐應設阻火器和呼吸閥[1]。

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

1.2 最大實驗安全間隙

在標準實驗條件下（0.1MPa，20℃），剛好使火焰不能通過的狹縫寬度（狹縫長度為25mm）。MESG的定義是國際統(tǒng)一的，取自標準的MESG實驗裝置。

1.3 最大實驗安全間隙分級

爆炸組級別和對應的MESG分別為：①ⅡA1級 MESG≥1.14mm；②ⅡA級 MESG＞0.9mm；③ⅡB1級 MESG≥0.85 mm；④ Ⅱ B2級 MESG≥0.75mm；⑤ Ⅱ B3級 MESG≥0.65 mm；⑥ⅡB級 MESG≥0.5mm；⑦ⅡC級 MESG＜0.5mm。

2 最大實驗安全間隙MESG的計算

2.1 有MESG的純可燃氣體組分最大實驗安全間隙

直接查找SH/T 3413—2019石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收標準條文說明中表1 或其他規(guī)范公布的數(shù)據(jù)，然后得到該純可燃氣體組分的MESG。

2.2 有MESG純可燃氣體組分的混合物/含氮或富氧可燃氣體組分混合物最大實驗安全間隙

根據(jù)SH/T3413—2019石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收標準 條文說明中所列公式進行計算，然后得到MESG值。

2.3 無MESG的純可燃氣體及其混合物化學物質的估算

對于規(guī)范中無法查詢到的MESG化學物質，建議采用估算值進行純可燃氣體或混合物的MESG估算。具體估算依據(jù)和方法如下：

首先，對不同化學物質進行分類，將相同化學結構的化學物質劃分為同類，不同化學結構的化學物質劃分不同類別；其次，列出幾種同類別分子量較低的化學物質MESG；再次，查看所估算化學物質是否有多種化學結構，如果有多種化學機構，需分別列出不同結構分子量較低化學物質的MESG；最后，對于單一化學結構（如醇類、醛類、醚類等）的化學物質，取同類中分子量較低的最小MESG進行估算；有多種化學結構的化學物質，取多類中分子量較低的最小MESG進行估算。

表1是常用化學物質按分類法劃分，其中MESG值來源于規(guī)范[2]。

表1 MESG分類分組表

續(xù)表

對于估算出MESG的純可燃氣體組分組成的混合物MESG值按SH/T 3413—2019條文說明中所述公式進行計算，其公式具體如下。

2.3.1 估算MESG的純可燃氣體組分的混合物MESG值計算

式中：

MESGC（T）為混合物在溫度T時的最大實驗安全間隙，mm；

MESGi（T）為混合物中i組分在溫度T時的最大實驗安全間隙，mm；

為混合物中i組分化學計量反應所需的相對氧氣量，按式（2）計算。

式中：

yi為組分i的摩爾分數(shù)；

Si為混合物中i組分燃燒時的化學需氧量對燃料的摩爾比。

2.3.2 估算MESG的含氮或富氧可燃氣體組分混合物最大實驗安全間隙

式中：

MESGD為含氮或富氧可燃氣體混合物的最大實驗安全間隙，mm；

FuelR為燃料比。即不含氮或非富氧燃料混合物在空氣中產生化學計量反應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生化學計量反應所需氧氣的總摩爾數(shù)的比值，按式（4）計算。

式中：

yF為燃料混合物中可燃組分的摩爾分數(shù)；

yN2為燃料混合物中氮氣的摩爾分數(shù)；

yO2為燃料混合物中氧氣的摩爾分數(shù)；

S為燃料混合物的可燃部分的化學需氧量與燃料的摩爾比，按式（5）計算。

式中：

yi為多組分燃料混合物中可燃組分i的摩爾分數(shù)；

Si為多組分燃料混合物中i組分燃燒時的化學需氧量對燃料的摩爾比。

2.4 無MESG的純可燃氣體及其混合物化學物質的估算的注意事項

（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：對于乙酰基混合物應分類為NEC的A組或IIC組[2]。

（2）對于不同類別的化學物質，MESG值的大小隨著化學結構不同而不一樣，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）估算法計算出的MESG值和實驗測試出的值是有差別的，對于未知MESG的化學物質，需要多查詢相關規(guī)范，看看是否有最新的實驗測試MESG數(shù)據(jù)公布，如有，則采用公布的數(shù)據(jù)進行相關MESG計算。

（4）對于估算出的MESG值，設計人員在填寫相關數(shù)據(jù)表或提交阻火器供應商時，建議說明MESG值為估算值；另外，設計人員也多與阻火器供應商溝通，如阻火器供應商有新的測試數(shù)據(jù)或更可靠的計算方法，設計人員也可采用。

（5）MESG分類估算法主要考慮化學物質的化學結構中的典型基團。如果物料分類法中發(fā)現(xiàn)化學物質有多個典型基團，則需分別考慮不同基團組MESG值，并從這些組中選擇MESG較低的值作為計算值，進行選型。

（6）溫度和壓力對MESG值有影響，壓力大、溫度高對應的MESG將更小。

3 計算實例

案例1：某化工廠生產3-（二甲基氨基）丙胺，該物質熔點為-70℃，相對密度（空氣=1）為3.52，沸點為134℃，閃點為26℃，燃燒下限（體積分數(shù)%）為1.2，自燃溫度219℃，試估算此化學物質的MESG。

解：根據(jù)資料得到該物質分子式為（CH3）2N（CH2）3NH2，其主要化學結構為氨基。故可將該物質歸類為胺類組，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計取，再依據(jù)MESG值可知該物質爆炸組級別為2A。

案例2：某氣相混合物中3-（二甲基氨基）丙胺的MESG為0.3（摩爾分數(shù)），氮氣為0.7（摩爾分數(shù)），其中3-（二甲基氨基）丙胺MESG為0.95（估算值），試計算其MESG。

解：根據(jù)估算值氣體混合物MESG計算方法，此混合物中含有較多氮氣，故可按含氮或富氧可燃氣體組分混合物最大實驗安全間隙計算公式（3）進行估算。

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

由上式知此物質化學需氧量與燃料比s=8.5，另外，該物質摩爾分數(shù)為0.3，代入式（4），

依據(jù)MESG值可知該混合物爆炸組級別為IIA。

4 結論

基于化學結構的化學物質分類法，可以在規(guī)范或實驗測試未提供MESG值的情況下進行純物質及其混合物的MESG估算。為化工設計人員在化工裝置阻火器MESG計算中提供借鑒和參考。