氢氧化钠颗粒的遇水放热特征研究.docx
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氢氧化钠颗粒的遇水放热特征研究
氢氧化钠颗粒的遇水放热特征研究
费旭峰浦东支队三林大队助理工程师
摘要:
近年来,氢氧化钠颗粒在存储过程中发生火灾的情况越来越多,但在火灾调查过程中大多是排除其他可能来确定起火原因,很难有直接证据认定是由氢氧化钠遇水放热引起火灾。
为了进一步准确认定氢氧化钠颗粒遇水时的放热特征和引发火灾的可能,本文采用量化计算和控制变量的实验方法,得出其放热特征与氢氧化钠与水的比例、受热部位以及加水混合方式有关。
根据所得结果,基层火调人员可在实际火调工作中,采取适当的理论计算和定性分析,更为准确的判断氢氧化钠遇水放热引发火灾的可能性,使火调工作更具科学性和严谨性。
关键字:
氢氧化钠颗粒火灾调查放热控制变量
氢氧化钠,化学式为NaOH,俗称烧碱、火碱、苛性钠,是一种具有强腐蚀性的强碱,一般为片状、颗粒状或块状形态。
氢氧化钠的用途极广,可用于生产纸、肥皂、染料、人造丝,冶炼金属、石油精制、棉织品整理、煤焦油产物的提纯,以及食品加工、木材加工及机械工业等方面。
我国是世界烧碱产能最大的国家,产能占全球比重达40%以上,2004-2007年烧碱经历了快速发展,自2010年以后烧碱产能增长逐步放缓。
据统计,2017年我国烧碱总产量为3365.2万吨,较上年度净增加163.5万吨,同比增长5.1%,该产品的安全生产、储存和运输对于推动我国国民经济建设具有重要意义。
氢氧化钠置于空气中易吸取空气中的水蒸气发生潮解、吸收二氧化碳出现变质,可用作干燥剂。
而在运输储存过程中为避免潮解,较为安全几种的运输储存方法是:
将固体氢氧化钠装入0.5毫米厚的钢桶中严封,每桶净重不超过100公斤;塑料袋或二层牛皮纸袋外加全开口或中开口钢桶;螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶(罐)外加普通木箱;螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶(罐)外加满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱;镀锡薄钢板桶(罐)、金属桶(罐)、塑料瓶或金属软管外加瓦楞纸箱。
包装容器要完整、密封,有明显的“腐蚀性物品”标志。
但事实上,许多厂家,尤其是大量存在的小作坊并没有采取如此安全的存储方式,仅仅用普通的编织袋进行封装。
氢氧化钠易溶于水且溶于水时放热并在水过量时形成碱性溶液。
实际生产储存过程中,与氢氧化钠遇水放热相关的火灾并不唯一,但在起火原因调查过程中,往往没有直接证据,多是排除不可能的原因后得到不能排除的结果。
虽然同为碱性物质,氢氧化钠与生石灰相比,遇水后的放热原理是完全不同的:
生石灰遇水后会发生化学反应,放出的热量为反应热;而氢氧化钠遇水后只会溶解不会发生反应,热量来源于溶解热,热量相对于反应热会少一些。
其原理更不同于保险粉、煤、火药等物质遇水放热的原理,对于该热量是否能够引发火灾、是否是引起火灾的原因,都值得人们研究;同时,对实际火灾原因的认定也能提供一定的理论支撑。
一、实验
(一)实验试剂与仪器
本实验在自制的不锈钢盒中进行氢氧化钠遇水放热特征研究。
氢氧化钠为分析纯,购自天津市科密欧化学试剂有限公司。
实验仪器:
福禄克2625A数据采集器,K型热电偶,电子天平。
所得数据利用origin7.5进行绘图、拟合、求导等处理。
(二)实验方法
在研究氢氧化钠放热能否使周围物质自燃时,根据实际情况我们以编织袋为例进行实验。
由于氢氧化钠溶于水不会发生化学反应,其释放的热量全都来自于溶解热λ。
一定量的氢氧化钠溶于水,释放出的热量使得空气、水、氢氧化钠以及编织袋整体升温;但由于空气的比热容很小,编织袋质量与水和氢氧化钠相比可以忽略,所以只考虑水和氢氧化钠的吸热量。
即:
Q放热=Q吸热
(1)
λ·mNaOH=(cNaOH·mNaOH+cH2O·mH2O)·(T1-T0)
(2)
其中,λ——氢氧化钠溶解热,取1.11kJ/g;
mNaOH——氢氧化钠的质量,g;
mH2O——水的质量,g;
cNaOH——氢氧化钠的比热容,取1.31kJ/(kg·K);
cH2O——水的比热容,取4.18kJ/(kg·K);
T1——编织袋自燃温度,K;
T0——初始环境温度,K。
常温下,NaOH的溶解热λ为-44.45kJ/mol,与水的比热容均可查,而对于编织袋,其自燃温度在420℃左右,即发生自燃时,需由室温升至420℃,将溶解热和自燃温度带入
(2)式,可得到氢氧化钠和水的质量比为mNaOH/mH2O=2.9。
为了尽可能减少体系散热,实验前先将不锈钢盒进行恒温处理,在烘箱中25℃恒温12h,使得实验时通过不锈钢外壳向外散失的热量尽量少。
另外,在不锈钢盒的夹层中以及上下部包裹隔热棉;在不同位置布置热电偶,通过改变溶解量、改变混合方式对体系温度进行监控测量。
二、结果与讨论
(一)不同量的氢氧化钠和水对温升的影响
通过理论计算可知,氢氧化钠和水的比例为定值时,体系所能达到的最高温度相同;但由于实际的热量损失,还是会存在一定差异。
通过热电偶可以获得mNaOH/mH2O=2.9,且水量依次为25g、50g、75g、100g时,氢氧化钠与底部聚丙烯编织袋直接接触部位的温度变化,如表1、图1所示。
表1mNaOH/mH2O=2.9条件下,氢氧化钠与水混合的具体质量
mNaOH/mH2O=2.9
1#
2#
3#
4#
mNaOH(g)
72.5
145
217.5
290
mH2O(g)
25
50
75
100
图1一定比例条件下不同量的氢氧化钠和水混合后的底部温升
实验结果表明,随着氢氧化钠和水的量增加,体系能够达到的最高温度基本都在65℃左右,呈小幅度上升;但由于使用试剂的量相比于实际存储量小很多,因此对数据进行处理,可根据拟合曲线对引起自燃所需的最小氢氧化钠质量进行预测,如图2所示。
图2最大温升随氢氧化钠质量变化的拟合曲线
虽然数据点并没有完全落在拟合曲线上,但大体上还是呈线性关系,拟合得到氢氧化钠质量与最大温升的关系为:
Y=61.1356+0.02191X(3)
其中,X为用于溶解的氢氧化钠的质量,单位为g,Y为释放出的溶解热能使体系达到的最高温度,℃。
根据拟合式可知,二者呈正比关系,随着氢氧化钠的量的增加,所能达到的最高温度也逐渐增加;若想引燃聚丙烯编织袋,使Y=420℃,那么至少X≥16378.0g,即16.379kg。
(二)不同部位对温升的影响
实验中,将聚丙烯编织袋包裹在氢氧化钠固体,分别在上下接触面布置热电偶,对加水放热时的温度数据进行采集、处理,得到图3、图4曲线:
图3不同部位编织袋的温度变化
通过图3温度变化曲线可以看出,与氢氧化钠下部接触的聚丙烯编织袋升温更高,上部编织袋温度更低。
虽然一定量的水是从上部加入的,但由于氢氧化钠颗粒呈疏松堆积状态,大量的水分会快速渗透到堆积颗粒底部,进而与下部氢氧化钠发生溶解放热现象,使得下部的编织袋首先受热,温度快速升高。
热量损耗,上部编织袋能充分吸收的热量降低,能达到的最高温度相应降低,与实验结果相符合。
图4不同部位编织袋的升温速率
由图4可得,下部编织袋处的升温速率远高于下部编织袋的升温速率,约为3倍左右。
这是由于实验装置内,编织袋与氢氧化钠和水之间的热量传递主要通过热传导来完成,根据傅里叶定律可得:
q=-k·
(4)
其中,q——x方向上的热流密度,W/m2;
k——导热系数,W/(m·K);
T——温度,K。
根据公式(4)可知,q与x成反比,q随x的增大而减小,即:
距离越远的位置,热源所能传递到该位置的热量越少。
因此,热量以混合部位为中心逐渐向外扩散,使得周围物质温度也逐渐升高;但由于热量传递到上部编织袋的部位需要一定时间,且能量部分损耗,使得传递到编织袋的热量较少,其升温速率较小,所能达到的最大温升也较低。
(三)不同加水方式对温升的影响
将75g水以一次性加入和分多次(5次)加入的方式分别加入两堆氢氧化钠颗粒中,氢氧化钠遇水后整体温度变化如图5所示。
图5一次性加水与多次(5次)加水对最大温升的影响
如图5所示,由于分多次加入所有水时,加入一次后需待体系温度达到稳定再进行下一次加水,因此耗时相对于一次性加入更长,得到的温度-时间曲线在量程上有所差别。
由此可以看出,逐次加入部分水会使得升温较慢,且能达到的最高温度比一次性加水更低。
这是由于每次加入一部分的水,溶解的氢氧化钠相应减少,放出的溶解热较少,温升较小;待温度稳定进行再一次注水时,除去向环境散失的热量,较低的水温会中和体系温度,使得温度升高越来越困难。
前两次加入水后,温度还能以不同速度升高,由于升温逐渐减缓,温度达到最大值后,再次加水后释放的溶解热已经不能抵消水温对体系温度的影响,温度开始呈现下降趋势,而这种趋势也将逐渐增强。
三、结论
根据以上实验,通过定性分析和定量计算,对氢氧化钠遇水放热的温度变化所受影响因素进行了研究,从不同试剂含量、不同受热部位以及不同加水方式三个方面,我们可以得到以下结论:
(一)理论上,当氢氧化钠溶于水放出的热量需使聚丙烯编织袋达到自燃温度420℃时,氢氧化钠与水的质量比为2.9;但由于实际存在热损失,除了满足比例条件外,对试剂的质量也存在要求:
最大温升与氢氧化钠和水的量呈线性关系,氢氧化钠的量必须大于16.379kg时才有可能发生自燃。
因此,实际存储过程中氢氧化钠的储量不能过大,少量存放的试剂不足以引发火灾。
(二)当氢氧化钠与水混合时,包裹在氢氧化钠周围的聚丙烯编织袋,不同部位的温度变化不同,底部编织袋温度更高,上部编织袋的温度相对较低。
在实际储存中要格外注意堆垛底部的防火措施,减少可燃物存放,注意低位处的水渍渗透。
(三)大量的水与氢氧化钠迅速接触、混合,与缓慢、逐次混合相比,能更快的放出更多的热量,向环境散失的热量以及低水温中和掉的热量也相应减少。
这提醒人们要加固仓库的防雨防水措施,避免大量的雨水灌入仓库中与氢氧化钠混合,释放热量引燃周围可燃物。
这些实验结论的得出,虽然还不能完全准确的判断实际火灾中,氢氧化钠遇水放热是否是引发火灾的原因,但可通过对比现场条件与实验条件的差异,排除特定情况下遇水放热引燃可燃物、造成火灾的可能。
对实际的火灾调查具有一定的指导作用。
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- 氢氧化钠 颗粒 放热 特征 研究