不同条件下6

     作者：张金锋，李艳丽，刘  鑫，郑艳敏，孙忠强

    （河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄050018）

    摘要：6氨基青霉烷酸（6 - APA）是生产阿莫西林的重要中间体，在生产过程的离心机分离及干燥等环节存在粉体燃烧爆炸的危险。利用Hanmann管式粉尘最小点火能测试装置，研究6- APA干粉状态及丙酮存在环境粉体最小点火能变化规律。实验结果表明，6 - APA粉体在分散质量为0. 6g时，最小点火能为14mJ，参照VDI2263的规定，属于一般着火敏感性粉尘。向粉体中加入丙酮溶剂模拟实际生产环境，实验结果显示粉尘云最小点火能下降明显，且混合物着火能力增强。质量为1g的6- APA粉体与o．5mL丙酮溶剂配比条件下，混合物分散质量为0.6g时，最小点火能为6mJ，在此环境中混合粉体属于特别着火敏感性粉尘。

    实验结果阐明了6 - APA在丙酮存在环境条件下混合粉体燃烧的爆炸危险性，为采取相应的爆炸防护措施提供了实验依据。

    关键词：最小点火能；粉尘爆炸；6 - APA;丙酮

    中图分类号：X936    文献标志码：A    doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2015.  10. 008

    0  引言

    在制药生产过程中，离心机分离及气流干燥过程极易出现药物粉尘与有机溶剂共存的状态：如果生产系统的防爆抑爆功能失效，非常容易发生爆炸事故。最小点火能(Minimum ignition energy，简称（MIE)是判定粉尘爆炸敏感程度的重要指标，掌握粉尘最小点火能变化规律是预防粉尘爆炸事故的前提条件之一。

    国内外学者对粉尘云最小点火能进行了大量的实验测量，取得了一定成果。在测试装置方面普遍使用Hartmann管式粉尘引燃仪。2007年Cesana等人通过实验研究提出了影响粉尘云最小点火能的各种因素。Sepideh  Hosseinzadeh通过实验证明了在混合粉尘中加入少量易燃粉末对粉尘最小点火能影响显著。Ryo Onoa通过实验研究了湿度对氢气一空气混合物的最小点火能的影响，结果表明湿度对气体混合物的最小点火能的影响不大。GaoW等利用高速摄影技术证明了有机粉尘的挥发性对燃烧火焰大小有影响，挥发性越低燃烧区域越厚。V．JCurdyumovfjs过实验证明，最小点火能与点火过程中反应区厚度的立方成正比。南京理工大学利用Hartmann管对石松子粉的最小点火能进行了测试，并分析了喷粉压力以及点火延迟时间对石松子粉最小点火能的影响。毕树明等人通过实验证明甲烷会使煤尘爆炸下限降低，爆炸压力增大，李亚男等人向镁铝粉尘中加入碳酸钙，增加了金属粉尘的最小点火能，碳酸钙浓度越高最下点火能越大。一定范围内两者呈线性关系。

    国内外学者对粉尘最小点火能的研究很少涉及到药物粉尘，上海应用技术学院的张小良对克拉维酸钾微晶纤维素混粉爆炸参数测定研究，河北科技大学的张金锋对7-氨基头孢烷酸粉尘爆炸特性进行了研究，目前对有机溶剂与药物粉尘混合的爆炸特性的研究相对较少。本文通过实验探究6-APA粉尘最小点火能随粉尘质量的变化规律，以及丙酮对其最小点火能的影响，为工业生产过程中防爆措施提供参考。

    1  实验样品分析与实验设备

    1.1  实验样品

    实验采用6-氨基青霉烷酸（6- APA）粉体，分子式C8H12N203S，分子量为216. 2575，燃烧后生成水、碳氧化物、氢氧化物和硫氧化物。6 - APA是白色或微黄色结晶粉末，熔点208~ 209oC（分解）。微溶于水，不溶于乙酸丁酯、乙醇或丙酮。遇碱分解，对酸较稳定。利用BT - 9300H型激光粒度分析仪得到的粒度分析结果如图1所示。中位径D5o为42. 09 μm，体积平均径为48. 89 μm，面积平均径13. 59 μm，粒度分布的离散度为1.909。室温保存，环境湿度不大于30%。经真空干燥箱在50℃条件下干燥2. 5h后，测得粉体湿度小于等于0.03 %，对爆炸影响较小。

    1.2实验装置

    本文主要采用Hartmann管式粉尘最小点火能测试装置测试药物粉尘的最小点火能，装置结构如图2所示，主要包括哈特曼管、粉尘分散系统、进气系统、储气室、电磁阀等几个部分。工作原理是利用储气罐内的高压空气将放置在底部的粉尘在装置内部卷扬起来形成粉尘云，被加热点火器点燃引爆。

    1.3最小点火能测试方法

    Hartmann管式粉尘最小点火能测试装置与电火花发生器相连，电火花发生器利用高压放电击穿、低压放电续弧放电的原理。哈特曼管的两个可移动电极，当点火器产生的高压击穿电极间隙后在电极间形成电弧，电极间电阻瞬间下降，两电容续弧放电。高压电极与电容器相连，当高压发生器从电容器电路中断开后，由电磁阀控制储气罐释放压缩空气，使粉尘扩散形成粉尘云，延迟一定时间后，将高压电极推到规定位置，使电容器放电产生电火花。

    2  药物粉尘最小点火能实验结果分析

    实验使用6 - APA粉体，测试药物粉尘的最小点火能量。然后向纯净的药物粉尘中加入丙酮溶剂并测试其最小点火能量变化。从而分析丙酮等有机溶剂对粉尘最小点火能的影响。所有实验环境温度为( 25±5)℃；点火延迟时间为0.1s;喷粉压力为0. 4MPa。

    2.1  单独6 - APA药粉最小点火能实验结果分析

    在同一实验条件下对6 - APA粉尘进行最小点火能实验研究。分别取粉尘分散质量为0. 2g、0. 4g、0.6g.0. 8g和1.Og放人Hartmann管中测试其最小点火能变化情况。测试结果如图3所示。

    如图3所示，在粉尘分散质量为0.2~0. 4g范围内，随着粉尘分散质量的增加最小点火能减小。出现这种现象是由于在一定的范围内随着粉尘质量的增加，单位体积内被电火花直接点燃的粉尘颗粒增加，粉尘最小点火能随着粉尘质量的增加而逐渐减小。所以在上述浓度范围内6 - APA粉尘的最小点火能量由24mJ降至14mJ。

    在此时继续增加粉尘质量，药粉的最小点火能开始上升，一方面由于Hartmann管属于半封闭系统，随着粉尘质量的增加，悬浮于空气中的粉尘颗粒增多，致使供氧不足，使粉尘最小点火能增加。另一方面，过多的粉尘会吸附在放电电极尖端上，使电量减弱火花减小，最终导致粉尘最小点火能增加。

    通过实验分析可得，6 - APA干粉在分散质量为0. 6g时所需点火能量最小为14mJ．爆炸危险性最大。此时粉尘属于一般着火敏感性粉尘，此时应注意接触有效点火源，以采取有效的防护措施。

    2.2  药物粉尘与丙酮混合实验结果分析

    在化工业以及药物生产过程中，经常会出现粉尘与有机溶剂混合现象。在一定条件下引发爆炸。现模拟丙酮与药粉混合状态，测试其最小电能。进而探究有机溶剂对粉尘最小点火能量的影响。由于粉尘的附着性和凝聚性的强弱主要取决于粉尘的性质（粉尘的形状、粒度、湿度、荷电性等）和外界条件（空气的温度和湿度、尘粒的运动状况、电场力和磁场力等），向粉尘中加入丙酮量较小，且均匀放入Hartmann管中，因此实验过程中忽略丙酮对粉尘的

凝聚。

    在上一实验基础上向6 - APA粉尘中加入有机溶剂丙酮。考虑到丙酮溶剂易挥发，将丙酮溶剂加入到粉尘中，密封混匀。配比为分别向1 g粉中加入0. 25ml和0.5ml丙酮。所测混合物分散质量分别为0. 2g.0. 4g、0.6g、0.8g和1.Og。在相同实验条件下对混合物的最小点火能进行测量。考虑到丙酮含量相对较少，且易挥发，实验过程中将称好的粉尘混合物迅速放入Hartmann管中。实验结果如图4所示。

    加入丙酮溶剂后，观察粉尘云的分散状态与干粉时粉尘分散状态几乎相同，火焰燃烧的更猛烈，随着丙酮含量的增加，火焰可喷出Hartmann管。由图4实验结果分析可知，在一定的质量范围内，随着混合物质量增加，最小点火能降低。当混合物分散质量为0. 6g时，点火能量最低，分别为6mJ和12mJ。丙酮极易燃烧爆炸，且易挥发，丙酮蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，若遇火源会着火回燃。当丙酮与药物粉尘混合后，丙酮挥发到空气中，形成丙酮空气混合物。因丙酮极易燃烧爆炸，当遇到电火花时，极易被点燃，从而引燃被分散的药物粉尘。随着丙酮含量的增加，空气中丙酮蒸汽含量增加，点燃所需能量降低，即在一定范围内随着丙酮含量的增加，混合物的最小点火能量降低。

    通过对比混合物中丙酮含量可得，在一定范围内，随着丙酮含量的增加粉尘的最小点火能降低，当混合物配比为lg粉加入0.SmL丙酮时，粉尘混合物质量为0. 6g时，最小点火能为6mJ，该粉尘属于特别着火敏感性粉尘。需要根据粉尘周围环境进行分析，从而确定是否应该在选用“避免接触有效的点火源”这一种措施的基础上再选用其他防护措施。

    2.3对比结果分析

    向Hartmann管式粉尘最小点火能测量仪中加入粉尘（丙酮与粉尘混合物）时，将测试能量设定为干粉的最小点火能量，火焰现象更为明显，点火更为迅速，所呈现的火焰较大。实验数据如图5所示。

    由图5分析可知，向干粉中加入丙酮，混合物的最小点火能降低，在一定范围内随着丙酮含量的增加最小点火能逐渐降低。当药粉与丙酮混合后放人装置内，丙酮挥发为丙酮蒸汽，与空气混合，形成了气体和粉尘混合状态。由于丙酮沸点为56. 53℃，闪点为- 200C，易燃。当电火花打火时，放电时间短，加热速率大，所以认为粉尘在点火过程中时均相与非均相同时进行的。电火花首先点燃了丙酮空气混合气体，放出热量，从而降低了粉尘的最小点火能。所以加入丙酮后粉尘的最小点火能明显降低，火焰明显增大。随着丙酮含量的增加，所挥发出丙酮气体加快且含量增多，空气中的易燃气体浓度增加，所需点火能量降低，即在lg 6- APA粉尘中加入0. 5mL丙酮时混合物的最小点火能最低为6mJ，属于特别着火敏感性粉尘，危险性明显增加。

    3结论

    通过实验研究可得6 - APA干粉在分散质量为0. 6g时最小点火能量最低为14mJ。向粉尘中加入有机溶剂丙酮会降低粉尘的最小点火能，使燃烧现象更加明显，燃烧更加剧烈。当向lg粉尘中加入0. 5mL丙酮时，此时最小点火能最小为6mJ属于特别着火敏感性粉尘，危险性增大。这些结果对头孢类具有较强爆炸特性的药粉的研究和生产开发在安全防护措施方面具有一定参考价值，为类似粉尘爆炸危险性工作的技术改造与管理提供参考。