环戊烷体系及操作安全

我爱肘子 · 发表于 2011-10-9 10:22:48

环戊烷属烃类化合物它本身易燃、易爆，除生产场所及相关设备须采取安全措施外，在配方体系的开发时必须解决以下关键技术：
（1）互溶性问题。环戊烷是弱极性化合物，在大多数聚醚多元醇中溶解差，易分层。
（2）泡沫隔热性能与CFC-11、HCFC-141b体系相比差。环戊烷气相导热系数大于CFC-11、HCFC-141b，因此需对体系优化筛选使泡孔均匀、细腻。
（3）环戊烷常压沸点为49 ℃，作为发泡剂其沸点偏高，发泡后泡沫容易收缩、尺寸不稳定。
主要原料
聚醚  羟值 460±20 mgKOH/g，水分≤0.1%，粘度3200±100 mPa.s，
聚醚  羟值 480±20 mgKOH/g，水分≤0.1%，粘度1700±100 mPa.s，
聚醚  羟值 400±20 mgKOH/g，水分≤0.1%，粘度3000±100 mPa.s，
聚醚  羟值 500±20 mgKOH/g，水分≤0.1%，粘度5500±100 mPa.s，
泡沫稳定剂203（1#）B8510（2#），德国高斯米特公司；B8462（3#），德国高斯米特公司；SJY2000（4#），江苏化工研究所；
复合胺类催化剂，自配；
环戊烷，纯度 95%
蒸馏水，市售；
粗MDI，NCO质量分数31.5%，进口。
原料                         质量份
聚醚                         100
泡沫稳定剂             1.5～2.5
复合胺类催化剂       1.5～2.5
蒸馏水                   1.5～2
环戊烷                   10～12
PAPI指数             1.05～1.10
环戊烷为弱极性化合物，在聚醚中的溶解度低，其分子量仅为70，在配方中的发泡倍率较大，用量少，体系粘度较高，各种组分的互溶性差，而体系中水分的加入会增加其极性，进一步降低聚醚对环戊烷的溶解性。因此须选择合适聚醚种类和与之恰当匹配的泡沫稳定剂形成均匀稳定的体系。
环戊烷在几类主要聚醚中的溶解性
多元醇种类    羟值mgKOH/g             在多元醇里的溶解度/%
                                                         c-P n-P    i-P
蔗糖类聚醚          440                      16    5    6
蔗糖类聚醚             310                      48    13 13
山梨醇类聚醚          490                      19       7    7
丙三醇类聚醚          540                      18       7    7
芳香族类聚醚          500                      12    4    4
脂肪类聚酯             250                         8    3    3
芳香族类聚酯          347                         2    <1 <1
环戊烷在常压的沸点为49℃，作为发泡剂沸点偏高，发泡后泡沫中泡孔内的总压总是低于大气压，在高于25℃时仍为气态，但随着温度降低，环戊烷接近饱和蒸汽压，开始出现冷凝，此时总压会急剧下降，因此，与CFC-11、HCFC-141b 泡沫相比更容易发生低温收缩，出现尺寸不稳定的现象，大量的实验表明，与CFC-11和HCFC-141b 相比，环戊烷泡沫的密度38～36 kg/m3 其强度可以保证尺寸稳定，另外环戊烷特别液态环戊烷在泡沫基材中溶解，会使基材软化，从长期尺寸稳定性考虑除提高泡沫密度外，还要增加泡沫的交链密度以提高基材强度。
异氰酸酯与组合聚醚质量比(mI/mP)在1.2～1.5范围内,尺寸稳定性良好。
环戊烷发泡工艺中的安全问题
在聚氨酯硬泡环戊烷发泡工艺中，当组合料中聚醚多元醇与环戊烷混合质量比为100：15时，组合料中环戊烷的气化率为80g／(m2?h)，而纯环戊烷的气化率为4810g／(m2?h)。在浇注区，发泡阶段环戊烷在空气中的体积分数最高可达2％~3％，所对应的每千克泡沫塑料约1g环戊烷。
环戊烷的安全方面特征参数如下：
空气中爆炸下限和上限
环戊烷体积分数                      1.4% ~ 8%
着燃温度                               361℃
密度(20℃时)                         0.75 g／cm3
蒸气压力                            0.53×105Pa
闪点                                     -39℃
如果从环戊烷贮罐至发泡成型模具全套生产线上出现空气与环戊烷的混合气体，就可能产生爆炸危险。
我国相关的安全标准有GB／T 12474-1990空气中可燃气体爆炸极限测定方法、GBl2158-1990防静电事故通用导则、GB3836．1~9爆炸性环境用防爆电气设备系列标准、GBl5603-1995常用化学危险品贮存通则等。根据有关安全标准，通常将防爆区划分为3个区域：
0区域：爆炸性危险气体长期稳定地存在的区域；
1区域：爆炸性危险气体有时出现的区域；
2区域：爆炸性危险气体很少出现，或即使出现，存在时间也很短的区域。
在环戊烷发泡整个工艺流程中，环戊烷贮罐、输送装置、计量装置是最危险区域，属0区域；发泡设备中以聚醚及环戊烷为原料的聚醚组合料贮罐、输送装置、计量装置、测试装置、发泡工序模具发泡浇注区以及熟化区属1区域；设备的其他部分属2区域。
环戊烷发泡设备的安全防护方法
环戊烷发泡设备由下列几个单元组成：环戊烷贮存设施、聚醚-环戊烷预混站、发泡模具输送线、发泡机及安全控制系统。
环戊烷贮存单元及其防护措施
由于环戊烷易挥发，环戊烷贮存单元通常安装在生产现场以外，并采用地下贮罐形式。根据生产纲领、日生产周期及班次以及单位时间产量可计算出环戊烷日消耗量，考虑合适的贮罐容积。常用地下贮罐体积有10、15、20、25、30、35m3等几种规格。环戊烷贮存没施由罐体、进料系统、防溢装置、呼吸平衡装置装、输送系统及安全报警装置等组成。
安全操作过程
(1)加料环戊烷由槽罐车依次经卸料管，罐入口控制球阀、下料管进入环戊烷料罐内，贮罐内的饱和环戊烷气体通过呼吸平衡阀出口经与槽车相连管道排人槽车内，以达到气态平衡。
(2)液位控制及报警当液位处于最高位或最低位时由声光系统报警，操作人员采取相应措施；系统配有机械防溢装置。
(3)输送采用无泄漏的磁力耦合泵输送，在输出管线上安装溢流阀以稳定系统压力。国外最新的技术是采用液下输送泵，即把泵放在环戊烷贮罐内，这样彻底解决了泄漏的可能性，这种泵已得到德国TüV机构认可。
(4)输出时的压力平衡通过设在罐顶的平衡阀和饱和器来实现。
安全防护措施
(1)贮罐系统有单独的防静电接地网，其接地电阻应不大于规定的阻值标准；
(2)贮罐区应与周围环境隔离(建立围栏或围墙)，并有足够的安全间隔，应取得消防安全部门的认可；
(3)严格禁止火源、火种进入罐区；
(4)操作人员要穿防静电工作服及防静电胶鞋；
(5)要定期检查罐体有无泄漏；
(6)采用防爆电器；
(7)进入罐区的卸料槽车应与罐体接地板充分连接，形成等势体；
(8)呼吸平衡装置吸气管所吸空气必须是新鲜空气；
(9)料罐夹层可充氮气保护。首次加注环戊烷之前，罐内气体用氮气进行置换。但由于充入氮气后很难检验设备是否泄漏，目前可采取充注乙二醇与水的混合液；
(10)安装环戊烷气体监测探头。
聚醚-环戊烷预混站及其防护措施
环戊烷计量装置采用无渗漏薄膜泵计量；聚醚与环戊烷用静态混合器混合，其贮料罐搅拌器采用磁性联轴器联接，保证无泄漏。用氮气加压保护，保证环戊烷在料罐中完全不与空气接触，以避免产生与空气的混合气体。在氦气入口安装压力继电器，以保证压力在正常范围内。用两个防爆型液位计监测料罐液位。主要防护措施有：
(1)环戊烷计量装置及聚醚-环戊烷料罐安装在带托架的防护罩内，安装环戊烷气体监测探头以及排风装置，并用流量计监测各抽风点是否正常工作，否则设备不能启动；
(2)氮气保护  当氮气压力低于设定压力时报警，设备停止运行，料罐的进、出料球阀自动截止；
(3)采用防爆电器；
(4)设备接地及等位连接；
(5)配备泡沫灭火系统并设置安全通道。
发泡设备及防护措施
聚醚-环戊烷计量装置及测试装置安装在带托架的防护罩内，并安装环戊烷气体监测探头、排风装置及其监控流量计。计量泵安装双密封自动监控装置，防止计量泵产生泄漏。
在硬泡生产线浇注区，发泡阶段初期系统将产生含环戊烷的混合气体。故在发泡模具输送线相应的模架上方必须安装排风装置，并安装环戊烷气体监测探头，用流量计监控排风情况。
环戊烷发泡工艺系统安全控制
为了提高系统控制的可靠性，发泡系统配置专门的、由环戊烷气体监测报警装置及排风装置组成的安全控制系统，并与环戊烷输送、聚醚-环戊烷预混站、环戊烷发泡机、发泡模具输送线的控制系统相连接，形成一个可靠的安全控制网络。
根据上述安全防护措施，将各部分安装的环戊烷气体监测探头、排风控制装置及抽风流量计连接到系统安全控制柜。
对排风装置、环戊烷气体监测报警装置及系统控制柜采用独立电缆供电，并配备专门小型发电机组。当独立电源出现故障时，该发电机组可为排风装置和气体报警装置提供电力，确保安全控制系统始终处于正常工作状态。