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标准气体的安全生产与管理

随着经济的发展和市场对标准气体日益增长的需要,标准气体的种类越来越多,复杂程度也越来越高,其应用领域涉及到石油化工、勘探、冶金、机械制造、电子、煤炭、电力、环保等领域(工艺气体或标准气体)。近年来,在标准气体的制备过程中经常会发生一些意想不到的事故,不仅造成了人身伤害,同时也造成了巨大的财产损失。因此,了解和掌握气体及材料的性质,合理设计充装工艺,制定严格的操作程序,清楚地标识气瓶的危害性,才能确保制备和使用标准气体过程中的安全。

一、充装系统的设计
  不相容的气体不能在一个充装系统上充装。要设计两套独立的充装系统,将不相容的气体分开。如果在一个汇流排上同时连接不相容的气体,当阀门泄漏时,高压的气体会流入低压不相容的气体气瓶中引起反应而发生燃烧或爆炸,同时,操作者错误的操作也可能导致不堪设想的危险,酸性气体不能和碱性气体同时接入一个系统中。

二、气体的不相容性
1、氧化性气体和可燃气体是不相容的。常见的氧化性气体包括:氧气(O2)、笑气(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氟化氮(NF3)、氟气(F2)、氯气(CL2)等。常见的可燃气体包括:氢气(H2)、甲烷(CH4)、其他碳氢化合物(烷烃、烯烃、炔烃等)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)、硫化氢(H2S)。
2、酸性气体和碱性气体是不相容的。常见的酸性气体包括:氯化氢(HCL)、溴化氢(HBr)、二氧化硫,常见的碱性气体包括氨(NH3)、胺(RNH2)。
3、氧化性气体和还原性气体是不相容的。

三、气体成分与材料的不相容性
气体在某种条件下与气瓶、阀门、管路材料不相容可导致如下危险:
1、腐蚀
  1)湿气腐蚀
  例如HCL、CL2在有水存在时很容易腐蚀钢瓶,水分的引入可能来源于客户使用,没有关闭阀门,也可能在充装过程中或水压检验中;NH3、SO2、H2S也有类似的腐蚀。即使是干燥的氯化氢和氯气,高浓度时也不能储存在铝合金气瓶中。
  2)应力腐蚀
  在CO、CO2、H2O共存时,极易腐蚀碳钢瓶。因此在制备含有CO和CO2的标准气体时,气瓶要进行烘干处理,原料气体也要使用高纯气体或不含水分的气体。
2、生成危险的化合物
  1)乙炔和含铜大于70%的铜合金反应生成金属有机化合物。
  2)单卤代烃CH3CL、C2H5CL、CH3Br等不能盛装在铝合金气瓶中,它们会与铝缓慢形成金属有机卤化物,遇水爆炸。如果气瓶中含有水分,配制后的标准气体中可以检测出烷烃和氢气。
3、爆炸反应因气体与阀门密封材料或管路材料不相容引起爆炸反应。如氧化性气体不能选用可燃密封材料的阀门。在标准气体配制时这一点容易被忽视。其中包括如何计算标准气体的氧化性。

四、不相容的气体在制备中的事故回顾与分析
  以下是所知道的近年来发生的事故: 1996-中国台湾,N2O/H2, 爆炸/人员伤亡;1997-加拿大,CO/Air, 爆炸;1997-英国,CH4/Air , 爆炸/人员伤亡;1997-南美,CH4/Air, 压力表炸毁;1997-美国,4% H2/Air,隐患事故;2003-德国,N2O/CO,人员受伤;2004-法国,卤代烃/Air ,隐患事故;2007-中国兰州,CH4/Air, 人员伤亡。
  以上事故中,多数是配制空气中的可燃气体,这类气体大多用在化工厂、煤矿中环境气体的检测中,事故的原因或者是错误的操作;或者是不相容的气体同时接入一个系统中,由于阀门漏气产生倒灌;或者是浓度计算错误;或者是错误的充装顺序造成的。对于一氧化碳混合气的爆炸事故分析,人们往往重视一氧化碳的毒性而忽略了其可燃性。空气中可燃性气体的制备经常发生,因此制定严格的操作程序是非常重要的。

五、标准气体潜在的危险分析
1、标识不清或没有警示标识
  1)标准气体的气瓶应该和纯气一样贴警示标签。关于标准气体可燃性或氧化性的计算目前国内尚无标准遵循。ISO 10156为如何计算标准气体的可燃性和氧化性提供了可以遵循的方法。
  2)标准气体应和纯气一样有成分和浓度标签。
  3)不应留有和气体或浓度不符的标签,残留的上次充装的标签要清理干净。
2、标准气体的阀门出口螺纹应遵循的规则
标准气体的阀门出口螺纹应遵循:可燃标准气体-左旋,不燃标准气体-右旋;目前市场上大多数生产厂提供的标准气体阀门出口螺纹没有什么区别,全部采用右旋;标准气体应和纯气一样,可燃标准气体使用出口螺纹右旋的阀门,防止在生产过程中和客户使用时错接;
3、气体接近爆炸限或充装过程中经过爆炸区间,没有浓度和压力限制作为标准气体生产厂家,不仅仅提供给客户的最终产品浓度在可燃(爆炸)下限以下,而且在充装过程中也要确保操作人员的安全,对于在充装过程中经过爆炸区间的标准气体,应经过严格计算控制充装压力和进样顺序,制定严格的操作程序,操作者应该接受培训,培训合格后才可充装此类气体。

六、液态混合物的潜在危险
除了遵从和气态混合物同样的规则,还应考虑:
1、充装不能超量;
2、确认气瓶中无余量;
3、电子秤要校准;
4、虹吸管的材质和充装的成分要相容。

七、生产过程中环境气体的监测
由于标准气体品种繁多,成分复杂,易燃易爆和有毒有害气体的泄漏,都可能产生事故,因此室内安装报警器是实现安全生产的必要条件,安全生产,预防为主。

总之,在标准气体制备过程中,必须对制备的标准气体进行研究,制定合理的充装工艺和安全操作程序,提供必要的安全生产条件,将安全生产放在首位,减少人身伤害和财产损失,这样才能创造和谐的社会环境。

标准气体的制备与应用

一、标准气体的概念理解
1、定义:标准气体是带有证书的具有计量溯源性的一种或多种准确特性量值,用于校准仪器, 评价测量方法或给物质赋值的气体。
2、特性:
  1)稳定性:在规定的时间间隔和环境条件下, 标准气体的特性量值保持在规定的范围内的特性、标准气体的稳定性表现在气体对气瓶和阀门不产生吸附和反应, 气体组分之间不发生化学反应。
  2) 均匀性:均匀性是物质的一种或几种特性具有相同组分或相同结构的状态、标准气体的均匀性表现在不同温度和压力下各组分的特性量值在规定的范围内。气体组分不分层,无液化。
  3)准确性:是指标准气体具有准确计量的标准值。其量值可以溯源。

二、标准气体的制备过程
  无论是采用压力法,体积法或称量法制备瓶装标准气体, 均需通过下列过程实现。充装----滚动混匀----分析检测----给出量值(检验报告或标准物质证书)。通过压力法/体积法或称量法实现混合气体充装已不再是难题, 只要具备高精度的压力表和高精度的天平、充装是很容易实现的。如何使标准气体量值准确和有效, 是所有标准气体制造商和研究机构面临的任务。

三、影响标准气体量值稳定的因素:
1、气瓶和阀门材料 在气体充装前, 要充分考虑到气体各组分与气瓶材料, 阀门及密封材料的相容性, 作为标准气体的包装容器, 碳钢,铝合金材料已被广泛应用。不同浓度,不同组分的标准气体是否和气瓶材料或阀门材料相容, 直接影响到标准气体的质量。如氟化氢,氯化氢,氟气,氯气, 氯甲烷,氯乙烷,溴甲烷等与铝产生反应, 不能用铝合金气瓶直接盛装。一定浓度的腐蚀性气体不能选择铜阀而需要选择不锈钢阀。
2、气瓶处理方法 用于盛装标准气体的气瓶, 内表面需进行常规处理和特殊处理, 以保证标准气体量值的稳定。处理方法包括加热除去气瓶内的水分, 抽真空置换除去空气及其他杂质气体, 内表面涂层使气瓶内表面减少与组份气体的物理吸附或化学反应;内表面钝化使气瓶内表面具有好的惰性, 有利于活泼性气体混合物的量值稳定。对于微量活泼性气体, 正确地选择气瓶处理方法是制备标准气体的关键。
3、组成混合气体各组份原料气的纯度及杂质。除了材料相容性和进行适当的气瓶处理外, 原材料的纯度是另一个值得注意的问题、如果原料中含有和配制组份相同的杂质, 杂质的准确定量就直接影响到组分的量值、如制备氮气为背景气的1ppm二氧化碳标准气体, 除了要知道组分气的纯度外,还要知道高纯氮气中CO2的含量。这样才能给出CO2的准确量值。
4、气体组分的相容性 如果配制氮气中NO/N2 标准气体, 如果高纯氮中含有氧或充装中带入氧, 那么混合气体就变成了NO2/N2了、类似问题可总结为以下方面:
1) 酸性气体和碱性气体:常见的酸性气体包括:HCl, H2S, SO, NO2, 有机酸等不能和碱性气体如NH3及有机胺充入一个气瓶中;
2) 还原性气体和氧化性气体不相容, 不能充装在一个气瓶中。如:H2S和SO2, H2S和NO2, H2和CL2等。
3) 可燃或自燃气体与氧化性气体: 如果在爆炸下限以上或最小需氧量以上将可燃气体和氧化性气体充入同一个气瓶中, 会有爆炸的危险。碳氢化合物和氢气作为可燃气体容易被人们重视,而一氧化碳的可燃性却常常被人们忽视, 而只是关注了它的毒性。氧气是助燃气体, 而NO、N2O、NO2、 F2、 CL2、NF3,等其它氧化性气体同样可以助燃,并和可燃性气体起爆炸反应。当制备可燃气体和氧化性气体混和气时, 要经过严格的计算包括制备浓度和制备压力;不仅如此, 还要制定严格的制备工艺包括进样顺序,制备过程中混匀、分析等。

四、标准气体的检测
  标准气体的量值是否满足要求, 分析检测是重要的环节之一。按照制备方法充装完成后, 量值的均匀性,稳定性和准确性如何, 必需靠分析检测来完成。气相色谱法作为广泛应用的定量分析方法已被人们认同,分离柱已从填充柱发展到毛细管柱,大大优化了柱效能, 而检测技术已从常量检测发展到微量及痕量分析。
  常用的检测器包括TCD、 FID、 ECD、FPD、 TSD、 HID、DID、PDID,化学分析作为经典分析方法也常用在腐蚀性气体的分析中, 红外光谱法、可见--紫外光谱法、 色谱/质谱联用技术也常用在气体分析中。

五、标准气体的应用
  
如何更好的使用标准气体, 是标准气体制造商关心的问题。通常在制备某些微量腐蚀性标准气体或微量氧,氮标准气体时,制备过程可谓是充满了血和泪, 而对于客户来说, 常常因使用不当,造成一些错误的结果、使用标准气体应该做到如下几点:
1、选择减压器和输气管路时,一定要注意材料和气体的相容性, 如在做微量氧,氮标准气体时, 管路不能选择塑料管和橡胶管路而要选择金属管路, 而作腐蚀性气体时,选择未经处理的金属管路会对组分产生吸附;
2、在合适的温度下存放气瓶, 对于易液化气体,要注意贮存温度和使用温度, 避免在低温下易也化气体成分液化;
3、取样前,对压力调解器和管路系统充分清洗,确保取样样品和气瓶中的组份浓度一致;
4、标准气体取样完成后, 要关毕气瓶阀, 避免空气反扩散到气瓶中;(
5、注意标准气体的有效期和最低允许使用压力。

 
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