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在使用高纯氧气的应用中选择材料的注意事项

发布时间:2021-07-30点击量:0

通常,我们认为高纯氧气是无害的。它是一种丰富的元素,因为它约占我们周围大气的 21%(体积百分比)。作为哺乳动物,我们呼吸含有氧气的空气,植物会产生氧气,甚至大多数细菌都依赖它来产生能量。

氧气与燃烧三角

然而,高纯氧气并不是所有的乐趣和游戏。它在分压升高时可能有毒,这就是金属会生锈(氧化)的原因,而氧气是燃烧三角的三个组成部分之一——除了热量和燃料。氧气(就像其他氧化剂一样)会降低燃料的着火温度,使其更容易点燃。本文将重点讨论最后一点,并解释为什么氧气在使用不锈钢的环境中极其危险。

不要玩火

假设你想点燃一支蜡烛。无论您使用火柴还是打火机,您都需要燃料、热量和氧气。为了点燃火柴,你把火柴擦在火柴盒的侧面,嗖嗖……开火!使用打火机更简单:只需按下按钮,就可以点火。

考虑到用 21%(体积百分比)的氧气生火是多么简单,我们可以将此练习扩展到生篝火。这一次,我们不会使用火柴或打火机,而是我们自己生火。我们需要什么?

两个分支

一些干火种(不是应用程序……)或其他一些易燃材料

通过将两个分支摩擦在一起,会产生足够的摩擦(热量)来点燃火种。这又可以用来点燃散装材料(在这种情况下是木材),从而产生火灾。为了保持火种点燃,向其吹气是一种常用的技术,因为我们呼出的空气中也含有大约 17% 的氧气,并且会通过将新鲜氧气带到源头来降低着火温度。

对于下一个示例,您需要一点想象力。想象一个密封的大房间

里面有纯氧;所以不是含有氮气、氩气、二氧化碳等的空气,而是氧气。现在想象一下,这个房间的内部完全是用不锈钢建造的,有一颗子弹射入了房间。子弹会从墙壁上的某处弹开,并在此过程中产生火花。火花(热量)形式的能量与不锈钢(燃料)和氧气一起,足以将环境温度升高到子弹或钢的自燃温度,从而完成我们的燃烧三角形并创造巨大的爆炸。

使用氧气的不锈钢应用中的风险

将我们的注意力转移回现实世界,我们可以将这个最后的思想实验扩展到使用不锈钢和纯氧的过程。您可以想象,当一小块碎片被扔进不锈钢罐、管道或背压调节器——我们喜欢详细考虑这个话题的原因——时,它可能会产生同样的效果。这小块碎片,就像枪膛里的子弹一样,可以产生火花。
尽管这是最可能的原因之一,但这并不是导致温度升高和着火的唯一原因。其他几个因素可能会导致钢(或相关材料)自燃:

流速:当使用钢时,流体通过阀门的速度不能超过 61 m/s (200 ft/s)。这是因为速度增加了所讨论流体的所谓动能。动能定义为物体因运动而具有的可转化为热能(热量)的能量。发生这种情况时,可以克服自燃阈值,并可能发生火灾或爆炸。

振动:通过振动产生的内部摩擦会产生足够的热量来使某些材料自燃。快速流动的流体与固体物体(管道、墙壁、调节器、阀门等)之间的任何接触都会引起摩擦。摩擦——以及增加的流速——被视为一种形式的动能,因此也可以转化为热能。

气体的绝热或快速压缩:气体的快速压缩会导致异常高的气体温度,进而会点燃阀门或管道中的材料。在早期的19个世纪,约瑟夫路易斯盖吕萨克,法国化学家和物理学家发现(固定质量和体积)的气体的该温度和压力直接正比于彼此。换句话说,当气体温度升高时,压力也会升高,反之亦然。当气体被非常迅速地压缩时,所有原子或分子将更快地相互碰撞,从而增加——你猜对了——动能。

总之,尽管高纯氧气看似无害,但在使用氧气的应用中使用不锈钢调节器进行压力控制并非没有风险。幸运的是,其他类型的材料可用于使用纯氧操作的应用来克服这种风险。

使用氧气的压力控制应用的材料选择

最好和最广泛使用的材料之一是蒙乃尔合金,它是一种镍铜合金。与不锈钢相比,蒙乃尔合金的其他优点是其高耐腐蚀性和保持延展性且即使在极低温度下也不会变脆的能力。

同样,通常不是由金属制成的密封件也有一定的先决条件。建议所有聚合物材料均由含氟弹性体制成。这意味着 FKM (Viton©)、FFKM (Kalrez©)、PTFE 等常用材料可用于此类应用。

最后,所有与高纯氧气等介质接触的部件都必须脱脂,以最大程度地降低着火风险。此程序用于去除任何油脂或类似化合物,消除任何容易点燃的物质。


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