不同條件下6 - APA粉體爆炸最小點(diǎn)火能測試研究*
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作者：張金鋒，李艷麗，劉 鑫，鄭艷敏，孫忠強(qiáng)
（河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018）
摘要：6氨基青霉烷酸（6 - APA）是生產(chǎn)阿莫西林的重要中間體，在生產(chǎn)過程的離心機(jī)分離及干燥等環(huán)節(jié)存在粉體燃燒爆炸的危險(xiǎn)。利用Hanmann管式粉塵最小點(diǎn)火能測試裝置，研究6- APA干粉狀態(tài)及丙酮存在環(huán)境粉體最小點(diǎn)火能變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6 - APA粉體在分散質(zhì)量為0. 6g時(shí)，最小點(diǎn)火能為14mJ，參照VDI2263的規(guī)定，屬于一般著火敏感性粉塵。向粉體中加入丙酮溶劑模擬實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示粉塵云最小點(diǎn)火能下降明顯，且混合物著火能力增強(qiáng)。質(zhì)量為1g的6- APA粉體與o．5mL丙酮溶劑配比條件下，混合物分散質(zhì)量為0.6g時(shí)，最小點(diǎn)火能為6mJ，在此環(huán)境中混合粉體屬于特別著火敏感性粉塵。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明了6 - APA在丙酮存在環(huán)境條件下混合粉體燃燒的爆炸危險(xiǎn)性，為采取相應(yīng)的爆炸防護(hù)措施提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：最小點(diǎn)火能；粉塵爆炸；6 - APA;丙酮
中圖分類號(hào)：X936 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2015. 10. 008
0 引言
在制藥生產(chǎn)過程中，離心機(jī)分離及氣流干燥過程極易出現(xiàn)藥物粉塵與有機(jī)溶劑共存的狀態(tài)：如果生產(chǎn)系統(tǒng)的防爆抑爆功能失效，非常容易發(fā)生爆炸事故。最小點(diǎn)火能(Minimum ignition energy，簡稱（MIE)是判定粉塵爆炸敏感程度的重要指標(biāo)，掌握粉塵最小點(diǎn)火能變化規(guī)律是預(yù)防粉塵爆炸事故的前提條件之一。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉塵云最小點(diǎn)火能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測量，取得了一定成果。在測試裝置方面普遍使用Hartmann管式粉塵引燃儀。2007年Cesana等人通過實(shí)驗(yàn)研究提出了影響粉塵云最小點(diǎn)火能的各種因素。Sepideh Hosseinzadeh通過實(shí)驗(yàn)證明了在混合粉塵中加入少量易燃粉末對(duì)粉塵最小點(diǎn)火能影響顯著。Ryo Onoa通過實(shí)驗(yàn)研究了濕度對(duì)氫氣一空氣混合物的最小點(diǎn)火能的影響，結(jié)果表明濕度對(duì)氣體混合物的最小點(diǎn)火能的影響不大。GaoW等利用高速攝影技術(shù)證明了有機(jī)粉塵的揮發(fā)性對(duì)燃燒火焰大小有影響，揮發(fā)性越低燃燒區(qū)域越厚。V．JCurdyumovfjs過實(shí)驗(yàn)證明，最小點(diǎn)火能與點(diǎn)火過程中反應(yīng)區(qū)厚度的立方成正比。南京理工大學(xué)利用Hartmann管對(duì)石松子粉的最小點(diǎn)火能進(jìn)行了測試，并分析了噴粉壓力以及點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)石松子粉最小點(diǎn)火能的影響。畢樹明等人通過實(shí)驗(yàn)證明甲烷會(huì)使煤塵爆炸下限降低，爆炸壓力增大，李亞男等人向鎂鋁粉塵中加入碳酸鈣，增加了金屬粉塵的最小點(diǎn)火能，碳酸鈣濃度越高最下點(diǎn)火能越大。一定范圍內(nèi)兩者呈線性關(guān)系。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉塵最小點(diǎn)火能的研究很少涉及到藥物粉塵，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的張小良對(duì)克拉維酸鉀微晶纖維素混粉爆炸參數(shù)測定研究，河北科技大學(xué)的張金鋒對(duì)7-氨基頭孢烷酸粉塵爆炸特性進(jìn)行了研究，目前對(duì)有機(jī)溶劑與藥物粉塵混合的爆炸特性的研究相對(duì)較少。本文通過實(shí)驗(yàn)探究6-APA粉塵最小點(diǎn)火能隨粉塵質(zhì)量的變化規(guī)律，以及丙酮對(duì)其最小點(diǎn)火能的影響，為工業(yè)生產(chǎn)過程中防爆措施提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)樣品分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
1.1 實(shí)驗(yàn)樣品
實(shí)驗(yàn)采用6-氨基青霉烷酸（6- APA）粉體，分子式C8H12N203S，分子量為216. 2575，燃燒后生成水、碳氧化物、氫氧化物和硫氧化物。6 - APA是白色或微黃色結(jié)晶粉末，熔點(diǎn)208~ 209oC（分解）。微溶于水，不溶于乙酸丁酯、乙醇或丙酮。遇堿分解，對(duì)酸較穩(wěn)定。利用BT - 9300H型激光粒度分析儀得到的粒度分析結(jié)果如圖1所示。中位徑D5o為42. 09 μm，體積平均徑為48. 89 μm，面積平均徑13. 59 μm，粒度分布的離散度為1.909。室溫保存，環(huán)境濕度不大于30%。經(jīng)真空干燥箱在50℃條件下干燥2. 5h后，測得粉體濕度小于等于0.03 %，對(duì)爆炸影響較小。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
本文主要采用Hartmann管式粉塵最小點(diǎn)火能測試裝置測試藥物粉塵的最小點(diǎn)火能，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括哈特曼管、粉塵分散系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、儲(chǔ)氣室、電磁閥等幾個(gè)部分。工作原理是利用儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓空氣將放置在底部的粉塵在裝置內(nèi)部卷揚(yáng)起來形成粉塵云，被加熱點(diǎn)火器點(diǎn)燃引爆。
1.3最小點(diǎn)火能測試方法
Hartmann管式粉塵最小點(diǎn)火能測試裝置與電火花發(fā)生器相連，電火花發(fā)生器利用高壓放電擊穿、低壓放電續(xù)弧放電的原理。哈特曼管的兩個(gè)可移動(dòng)電極，當(dāng)點(diǎn)火器產(chǎn)生的高壓擊穿電極間隙后在電極間形成電弧，電極間電阻瞬間下降，兩電容續(xù)弧放電。高壓電極與電容器相連，當(dāng)高壓發(fā)生器從電容器電路中斷開后，由電磁閥控制儲(chǔ)氣罐釋放壓縮空氣，使粉塵擴(kuò)散形成粉塵云，延遲一定時(shí)間后，將高壓電極推到規(guī)定位置，使電容器放電產(chǎn)生電火花。
2 藥物粉塵最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)使用6 - APA粉體，測試藥物粉塵的最小點(diǎn)火能量。然后向純凈的藥物粉塵中加入丙酮溶劑并測試其最小點(diǎn)火能量變化。從而分析丙酮等有機(jī)溶劑對(duì)粉塵最小點(diǎn)火能的影響。所有實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為( 25±5)℃；點(diǎn)火延遲時(shí)間為0.1s;噴粉壓力為0. 4MPa。
2.1 單獨(dú)6 - APA藥粉最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在同一實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)6 - APA粉塵進(jìn)行最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)研究。分別取粉塵分散質(zhì)量為0. 2g、0. 4g、0.6g.0. 8g和1.Og放人Hartmann管中測試其最小點(diǎn)火能變化情況。測試結(jié)果如圖3所示。
如圖3所示，在粉塵分散質(zhì)量為0.2~0. 4g范圍內(nèi)，隨著粉塵分散質(zhì)量的增加最小點(diǎn)火能減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于在一定的范圍內(nèi)隨著粉塵質(zhì)量的增加，單位體積內(nèi)被電火花直接點(diǎn)燃的粉塵顆粒增加，粉塵最小點(diǎn)火能隨著粉塵質(zhì)量的增加而逐漸減小。所以在上述濃度范圍內(nèi)6 - APA粉塵的最小點(diǎn)火能量由24mJ降至14mJ。
在此時(shí)繼續(xù)增加粉塵質(zhì)量，藥粉的最小點(diǎn)火能開始上升，一方面由于Hartmann管屬于半封閉系統(tǒng)，隨著粉塵質(zhì)量的增加，懸浮于空氣中的粉塵顆粒增多，致使供氧不足，使粉塵最小點(diǎn)火能增加。另一方面，過多的粉塵會(huì)吸附在放電電極尖端上，使電量減弱火花減小，最終導(dǎo)致粉塵最小點(diǎn)火能增加。
通過實(shí)驗(yàn)分析可得，6 - APA干粉在分散質(zhì)量為0. 6g時(shí)所需點(diǎn)火能量最小為14mJ．爆炸危險(xiǎn)性最大。此時(shí)粉塵屬于一般著火敏感性粉塵，此時(shí)應(yīng)注意接觸有效點(diǎn)火源，以采取有效的防護(hù)措施。
2.2 藥物粉塵與丙酮混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在化工業(yè)以及藥物生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)粉塵與有機(jī)溶劑混合現(xiàn)象。在一定條件下引發(fā)爆炸。現(xiàn)模擬丙酮與藥粉混合狀態(tài)，測試其最小電能。進(jìn)而探究有機(jī)溶劑對(duì)粉塵最小點(diǎn)火能量的影響。由于粉塵的附著性和凝聚性的強(qiáng)弱主要取決于粉塵的性質(zhì)（粉塵的形狀、粒度、濕度、荷電性等）和外界條件（空氣的溫度和濕度、塵粒的運(yùn)動(dòng)狀況、電場力和磁場力等），向粉塵中加入丙酮量較小，且均勻放入Hartmann管中，因此實(shí)驗(yàn)過程中忽略丙酮對(duì)粉塵的
凝聚。
在上一實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上向6 - APA粉塵中加入有機(jī)溶劑丙酮�？紤]到丙酮溶劑易揮發(fā)，將丙酮溶劑加入到粉塵中，密封混勻。配比為分別向1 g粉中加入0. 25ml和0.5ml丙酮。所測混合物分散質(zhì)量分別為0. 2g.0. 4g、0.6g、0.8g和1.Og。在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)混合物的最小點(diǎn)火能進(jìn)行測量。考慮到丙酮含量相對(duì)較少，且易揮發(fā)，實(shí)驗(yàn)過程中將稱好的粉塵混合物迅速放入Hartmann管中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
加入丙酮溶劑后，觀察粉塵云的分散狀態(tài)與干粉時(shí)粉塵分散狀態(tài)幾乎相同，火焰燃燒的更猛烈，隨著丙酮含量的增加，火焰可噴出Hartmann管。由圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在一定的質(zhì)量范圍內(nèi)，隨著混合物質(zhì)量增加，最小點(diǎn)火能降低。當(dāng)混合物分散質(zhì)量為0. 6g時(shí)，點(diǎn)火能量最低，分別為6mJ和12mJ。丙酮極易燃燒爆炸，且易揮發(fā)，丙酮蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，若遇火源會(huì)著火回燃。當(dāng)丙酮與藥物粉塵混合后，丙酮揮發(fā)到空氣中，形成丙酮空氣混合物。因丙酮極易燃燒爆炸，當(dāng)遇到電火花時(shí)，極易被點(diǎn)燃，從而引燃被分散的藥物粉塵。隨著丙酮含量的增加，空氣中丙酮蒸汽含量增加，點(diǎn)燃所需能量降低，即在一定范圍內(nèi)隨著丙酮含量的增加，混合物的最小點(diǎn)火能量降低。
通過對(duì)比混合物中丙酮含量可得，在一定范圍內(nèi)，隨著丙酮含量的增加粉塵的最小點(diǎn)火能降低，當(dāng)混合物配比為lg粉加入0.SmL丙酮時(shí)，粉塵混合物質(zhì)量為0. 6g時(shí)，最小點(diǎn)火能為6mJ，該粉塵屬于特別著火敏感性粉塵。需要根據(jù)粉塵周圍環(huán)境進(jìn)行分析，從而確定是否應(yīng)該在選用“避免接觸有效的點(diǎn)火源”這一種措施的基礎(chǔ)上再選用其他防護(hù)措施。
2.3對(duì)比結(jié)果分析
向Hartmann管式粉塵最小點(diǎn)火能測量儀中加入粉塵（丙酮與粉塵混合物）時(shí)，將測試能量設(shè)定為干粉的最小點(diǎn)火能量，火焰現(xiàn)象更為明顯，點(diǎn)火更為迅速，所呈現(xiàn)的火焰較大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。
由圖5分析可知，向干粉中加入丙酮，混合物的最小點(diǎn)火能降低，在一定范圍內(nèi)隨著丙酮含量的增加最小點(diǎn)火能逐漸降低。當(dāng)藥粉與丙酮混合后放人裝置內(nèi)，丙酮揮發(fā)為丙酮蒸汽，與空氣混合，形成了氣體和粉塵混合狀態(tài)。由于丙酮沸點(diǎn)為56. 53℃，閃點(diǎn)為- 200C，易燃。當(dāng)電火花打火時(shí)，放電時(shí)間短，加熱速率大，所以認(rèn)為粉塵在點(diǎn)火過程中時(shí)均相與非均相同時(shí)進(jìn)行的。電火花首先點(diǎn)燃了丙酮空氣混合氣體，放出熱量，從而降低了粉塵的最小點(diǎn)火能。所以加入丙酮后粉塵的最小點(diǎn)火能明顯降低，火焰明顯增大。隨著丙酮含量的增加，所揮發(fā)出丙酮?dú)怏w加快且含量增多，空氣中的易燃?xì)怏w濃度增加，所需點(diǎn)火能量降低，即在lg 6- APA粉塵中加入0. 5mL丙酮時(shí)混合物的最小點(diǎn)火能最低為6mJ，屬于特別著火敏感性粉塵，危險(xiǎn)性明顯增加。
3結(jié)論
通過實(shí)驗(yàn)研究可得6 - APA干粉在分散質(zhì)量為0. 6g時(shí)最小點(diǎn)火能量最低為14mJ。向粉塵中加入有機(jī)溶劑丙酮會(huì)降低粉塵的最小點(diǎn)火能，使燃燒現(xiàn)象更加明顯，燃燒更加劇烈。當(dāng)向lg粉塵中加入0. 5mL丙酮時(shí)，此時(shí)最小點(diǎn)火能最小為6mJ屬于特別著火敏感性粉塵，危險(xiǎn)性增大。這些結(jié)果對(duì)頭孢類具有較強(qiáng)爆炸特性的藥粉的研究和生產(chǎn)開發(fā)在安全防護(hù)措施方面具有一定參考價(jià)值，為類似粉塵爆炸危險(xiǎn)性工作的技術(shù)改造與管理提供參考。
