臺灣博碩士論文加值系統

因化學工業蓬勃發展，導致物質生活水準提高，但由化學品所引發之災害也與日遽增，製程操作過程中，物質安全特性知識的掌握是非常重要的，許多工廠的事故發生正是由於對可燃性物質的危害特性瞭解不足所導致。若能夠很仔細並完整的測定相關的安全性質，將可完整地提供此物質之安全操作條件。本論文將以苯及甲醇混合溶液之燃燒爆炸特性為例，進行雙成份物質混合後之爆炸之危害評估研究，希冀藉此降低相關意外災害發生的風險。
本研究針對雙成份物質，苯與甲醇及其不同混合濃度於不同之初始壓力 (760 mmHg和1,520 mmHg) 與溫度 (100℃、150℃和200℃) 下，利用20升爆炸鋼球探討其相關爆燃參數，如爆炸上下限 (Upper Explosion limit, UEL、Lower Explosion Limit, LEL)、最低需氧濃度 (Minimum Oxygen Concentration)、最大爆炸壓力 (Maximum Explosion Overpressure, Pmax)、最大爆炸上昇速率 (Rate of Maximum Explosion Pressure Rise, (dP/dt)max) 與爆燃指標 (Gas or Vapor Deflagration Index, Kg) 等爆炸參數進行研究。
結果顯示，當苯與甲醇及其混合物控制在相同含氧濃度下，當溫度 (由100℃至200℃) 或壓力 (由760 mmHg至1,520 mmHg) 上昇時，該物質之爆炸參數，亦隨之上昇，且苯與甲醇之不同混合濃度之爆炸界限皆落在兩純物質之間。

The purpose of this research was to investigate the influence of binary solutions by mixing different vapor ratios of benzene and methanol under various initial pressures (760 and 1,520 mmHg), temperatures (100, 150 and 200℃) and vapor mixing ratios (100/0, 75/25, 50/50, 25/75 and 0/100 vol.%).
According to the experimental results, the flammability diagram of benzene and methanol by mixing different vapor ratios can be illustrated completely and combined with specific safety-related properties of benzene and methanol, such as upper flammability limit (UEL), lower flammability limit (LEL), minimum oxygen concentration (MOC), maximum explosion overpressure (Pmax) and gas or vapor deflagration index (Kg).
The experimental results showed that the UEL, Pmax and Kg all increased with the temperature, pressure and oxygen concentration, whereas, there is no significant variation on the part of LEL. The range of flammability limits of benzene and methanol with different vapor mixing ratios did not exceed the pure benzene or methanol. They fell into the range between pure benzene and methanol. Through vapor flammability testing and vapor pressure calculation, an empirical equation was established from the experimental results for the effects of composition and pressure on flammability limit, which can provide specific information of fire and explosion hazards for related industries.

目錄
目次 頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究緣起 1
1.1.1 石化產業 1
1.1.2 產值與重要性 1
1.2 苯與甲醇災例 4
1.3 研究動機與目的 8
1.4 研究方法與規劃 8
第二章 文獻回顧 11
2.1 苯與甲醇之製程介紹 11
2.1.1 苯製程之介紹 11
2.1.2 甲醇製程之介紹 11
2.2 火災與爆炸的機制與成因 13
2.2.1 火災與爆炸的成因 13
2.2.2 火災、爆炸的機制 13
2.3 燃燒理論 13
2.3.1 自燃溫度 15
2.3.2 冷焰現象 16
2.4 爆炸理論 17
2.5 可燃性爆炸界限的決定 19
2.5.1 爆炸下限 20
2.5.2 爆炸上限 20
2.5.3 最低氧濃度 21
2.5.4 最小著火能量 21
2.5.5 最大爆炸壓力 21
2.5.6 最大爆炸壓力上昇速率 21
2.5.7 爆炸參數間的關係 22
2.6 爆炸參數經驗式 23
2.6.1 提昇初始溫度之經驗公式 23
2.6.2 提昇初始壓力下之經驗公式 24
2.6.3 提昇含氧濃度之經驗公式 24
2.6.4 Le Chateilier定律 24
2.6.5 苯、甲醇於各溫度範圍內飽和蒸氣壓 25
2.6.6 勞特定律 26
2.7 可燃性區域 26
2.7.1 化學劑量線 26
2.7.2 OSFC與ISOC 30
2.8 爆炸鋼球中火焰的傳播情形以及影響的因子 31
2.8.1 爆炸鋼球中火焰的傳播情形 31
2.8.2 影響的因子 32
第三章 實驗設備與方法 34
3.1 儀器介紹 34
3.2 實驗步驟 37
3.3 實驗方法 39
3.3.1 不同混合濃度之調配 39
3.3.2 需注入的溶液體積 40
3.4 實驗流程 40
3.5 各項變數對爆炸參數的影響 41
3.5.1 不同蒸氣混合濃度對爆炸參數的影響 41
3.5.2 不同初始溫度對爆炸參數的影響 41
3.5.3 不同初始壓力對爆炸參數的影響 41
3.5.4 不同氧濃度對爆炸參數的影響 41
第四章 結果與討論 42
4.1 苯與甲醇依五種不同混合比例之濃度對爆炸參數之影響 42
4.2 溫度對爆炸參數之影響 43
4.3 壓力對爆炸參數之影響 45
4.4 氧濃度對爆炸參數之影響 46
4.5 三角形可燃性區域圖之繪製與探討 46
4.5.1 冷焰現象探討 46
4.6 爆炸參數經驗式 46
4.6.1 提昇初始溫度之經驗公式 46
4.6.2 提昇初始壓力之經驗式 47
4.6.3 提昇含氧濃度之經驗式 47
4.6.4 爆炸下限與依Le Chateilier定律所推估值之比較 48
4.6.5 低於兩純物質沸點時改變不同混合濃度其爆炸界限之推估 48
第五章 結論與建議 68
5.1 結論 68
5.2 建議 69
參考文獻 70
附錄A 73
附錄B 74
自 傳 82



































圖目錄


圖1.1 近6年來國內苯與甲醇的需求量 3
圖1.2 苯由上游製造至下游使用之流程圖 3
圖1.3 甲醇由上游製造至下游使用之流程圖 4
圖1.4 研究流程圖 10
圖2.1 苯的製程方塊流程圖 11
圖2.2 甲醇的製程方塊流程圖 12
圖2.3 燃燒三要素 14
圖2.4 燃燒四要素 14
圖2.5 物質燃燒過程 15
圖2.6 物質燃燒時之溫度變化 16
圖2.7 自燃溫度與壓力的關係 16
圖2.8 爆炸依其形態及強烈程度分類 19
圖2.9 爆炸壓力與時間之關係圖 22
圖2.10 各項重要參數之相互關係圖 22
圖2.11 方法一之可燃性區域示意圖 27
圖2.12 方法二之可燃性區域示意圖 28
圖2.13 方法三之可燃性區域示意圖 28
圖2.14 方法四之可燃性區域示意圖 30
圖2.15 鋼球中心點火器，火焰的擴散是向著鋼球牆壁，其最大 容器 耐壓力Pf，壓力上昇速率 (dP/dt)max的壓力與時 間的概略圖 形，在周邊有熱損失而產生的壓力降 31
圖3.1 20升爆炸鋼球剖面圖 35
圖3.2 20升爆炸鋼球之正視圖 35
圖3.3 20升爆炸鋼球之控制系統與裝置配置圖 36
圖3.4 1升爆炸容器之剖面圖 36
圖3.5 5升爆炸容器之剖面圖 37
圖3.6 20升爆炸鋼球之爆炸現象圖 38
圖4.1 100℃及760 mmHg下，純苯濃度與最大爆炸壓力的關係圖 55
圖4.2 100℃及760 mmHg，苯：甲醇 (75 vol.%：25 vol.%) 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 55
圖4.3 100℃及760 mmHg下，苯：甲醇（50 vol.%：50 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 56
圖4.4 100℃及760 mmHg下，苯：甲醇（25 vol.%：75 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 56
圖4.5 100℃及760 mmHg下，甲醇濃度與最大爆炸壓力的關係圖 57
圖4.6 150℃及760 mmHg下，純苯濃度與最大爆炸壓力的關係圖 57
圖4.7 150℃及760 mmHg下，苯：甲醇（75 vol.%：25 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 58
圖4.8 150℃及760 mmHg下，苯：甲醇（50 vol.%：50 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 58
圖4.9 150℃及760 mmHg下，苯：甲醇（25 vol.%：75 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 59
圖4.10 150℃及760 mmHg下，純甲醇濃度與最大爆炸壓力的關 係圖 59
圖4.11 200℃及760 mmHg下，純苯濃度與最大爆炸壓力的關係圖 60
圖4.12 200℃及760 mmHg下，苯：甲醇（75 vol.%：25 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 60
圖4.13 200℃及760 mmHg下，苯：甲醇（50 vol.%：50 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 61
圖4.14 200℃及760 mmHg下，苯：甲醇（25 vol.%：75 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖. 61
圖4.15 200℃及760 mmHg下，苯：甲醇（0 vol.%：100 vol.%） 濃度與最大爆炸壓力的關係圖 62
圖4.16 在760 mmHg與21 vol.%下時，可燃性範圍在100℃、 150℃與200℃下之比較 62
圖4.17 苯與甲醇在五種不同混合濃度、1大氣壓與氧濃度 21 vol.%下之UEL與溫度的關係 63
圖4.18 苯與甲醇在五種不同混合濃度、1大氣壓與氧濃度 21 vol.%下之Pmax與溫度的關係圖 63
圖4.19 苯與甲醇在五種不同混合濃度、1大氣壓與100℃下 之UEL與氧濃度的關係圖 64
圖4.20 苯、甲醇及其混合物於100℃及760 mmHg不同含氧 濃度下可燃性區域圖 65
圖4.21 苯、甲醇及其混合物於150℃及760 mmHg不同含氧 濃度下可燃性區域圖 66
圖4.22 苯、甲醇及其混合物於200℃及760 mmHg不同含氧 濃度下可燃性區域圖 67





表目錄


表1.1 1980年以來台灣苯＆甲醇主要事故案例 4
表1.2 1985年以來於美國苯事故案例 5
表1.3 1985年以來於美國甲醇的事故案例 6
表2.1 甲醇製程中壓力的分類 12
表2.2 苯於各溫度範圍內的飽和蒸氣壓 25
表2.3 甲醇於各溫度範圍內的飽和蒸氣壓 25
表2.4 苯與甲醇於各溫度範圍內飽和蒸氣壓的常數值 26
表3.1 判定是否產生爆炸現象的準則 38
表3.2 爆炸等級分類與說明 39
表4.1 在760 mmHg、不同混合濃度下提昇初始溫度的經驗式係數 47
表4.2 在150℃、760 mmHg與不同混合濃度下提昇氧濃度的經驗 式係數 47
表4.3 爆炸下限與Le Chateilier定律所推估值之比較 48
表4.4 苯、甲醇及其混合物於100℃、760 mmHg下不同含氧濃度 之爆炸參數 50
表4.5 苯、甲醇及其混合物於150℃、760 mmHg下不同含氧濃度 之爆炸參數 51
表4.6 苯、甲醇及其混合物於200℃、760 mmHg下不同含氧濃度 之爆炸參數 53
表4.7 苯、甲醇及其混合物於150℃、1,520 mmHg下不同含氧濃 度之爆炸參數 54

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