可燃性氣體爆炸極限自動測定儀的研制

聯(lián)系人：宋江闖，misong@ecust.edu.cn

可燃性氣體爆炸極限自動測定儀的研制

熊焰1孫立鑫2趙會玲1宋江闖1*

(1.華東理工大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心，上海 200237； 2北京恒久實驗設(shè)備有限公司，北京 101500)

摘要：目前關(guān)于爆炸極限測定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實際測試裝置由于實驗教學(xué)安全等方面的限制，不太適合于實驗教學(xué)，也不利于推廣。本文介紹了一種可燃性氣體爆炸極限自動測定實驗裝置，可用于測定可燃?xì)怏w的爆炸極限配比范圍，并可根據(jù)各項參數(shù)自動計算爆炸當(dāng)量。該儀器可以自動進(jìn)行氣體配比，具有全自動程序控溫功能，自動點火，裝置小巧，可隨意挪動，適合各個領(lǐng)域的爆炸實驗研究。

關(guān)鍵詞：爆炸極限；化學(xué)動力學(xué)；自動儀器

作者簡介：熊焰，男，1979出生，高級實驗師。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.002

收稿日期：2014-09-25

基金項目:質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助(201310005)

Development of an automatic analyzer for explosion limit determination of flammable gas.XiongYan1,SunLixin2,ZhaoHuiling1,SongJiangchuang1(1.EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;2.BeijingHenvenEquipmentsCo.,Ltd.,Beijing101500,China)

Abstract:This paper introduces a combustible gas explosion limit automatic measurement experimental device that can be used to determine the proportion of combustible gas explosion limit range, and calculate the explosion equivalent. The instrument can ratio gas automatically with automatic temperature control function program, automatic ignition. It is suitable for use of experimental research in various fields for the explosion.

Key words：explosive limit; chemical kinetics; automatic instrument

許多物質(zhì)都能和氧氣反應(yīng)，不論是工業(yè)生產(chǎn)過程如乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、乙醛氧化制醋酸、苯氧化得到順丁烯二酸酐等，還是燃料如汽油、柴油、天然氣等通過燃燒得到熱能或動力，都有一個控制不當(dāng)引起爆炸的問題[1]?？扇夹詺怏w(或蒸氣)在空氣中具有燃燒爆炸的危險，爆炸濃度極限是判斷其爆炸危險性的一個重要參數(shù)，準(zhǔn)確地知道爆炸極限范圍對于研究爆炸性氣體十分重要。因此在安全工程領(lǐng)域?qū)怏w爆炸極限的研究比較深入，也設(shè)計了許多爆炸極限測定裝置，很多國家還相應(yīng)出臺了關(guān)于爆炸極限測定的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前關(guān)于爆炸極限測定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實際測試裝置由于實驗教學(xué)安全等方面的限制，不太適合于實驗教學(xué)，也不利于推廣。本文介紹了一種可燃性氣體爆炸極限自動測定實驗裝置，可用于測定可燃?xì)怏w的爆炸極限配比范圍，并可根據(jù)各項參數(shù)自動計算爆炸當(dāng)量。該儀器可以自動進(jìn)行氣體配比，具有全自動程序控溫功能，自動點火，裝置小巧，可隨意挪動，適合各個領(lǐng)域的爆炸實驗研究。

1可燃性氣體爆炸極限測定原理

氧化反應(yīng)多為鏈反應(yīng)機理。支鏈反應(yīng)在傳遞中，一個自由基能產(chǎn)生一個以上的新自由基，鏈的傳遞過程呈枝叉發(fā)射狀。一般可表示為：

………………

其中α>1。自由基的增長非常迅速，設(shè)想鏈傳遞了100次，2100=1030，由一個自由基產(chǎn)生的新自由基即達(dá)天文數(shù)字，爆炸原因即在此。要控制支鏈反應(yīng)，使之不至于失控爆炸，必須及時銷毀自由基。有兩種途徑：(1)墻面銷毀，與容器或充填物表面碰撞而失去活性;(2)氣相銷毀，在氣相中互撞或與惰性分子相碰而失去活性。正因為自由基可能在反應(yīng)過程中銷毀，所以可燃?xì)怏w的氧化反應(yīng)并不是在所有情況下都發(fā)生爆炸。

有關(guān)可燃性氣體爆炸極限的研究，國外進(jìn)行得比較早。最早提出測定氣體與可燃蒸氣爆炸極限的是美國礦山局的Coward 及Jone 發(fā)表的《氣體和蒸氣燃燒范圍》的報告，其中介紹了一種測定氣體爆炸極限的裝置,此裝置常被后人作為試驗的標(biāo)準(zhǔn)裝置使用[2]。1965 年美國礦山局的Zabetakis 發(fā)表了《可燃性氣體及蒸氣的可燃特性》一文[3]，指出Coward 使用的裝置所存在的問題，并設(shè)計了采用電火花點火、直徑5 cm、長125～150 cm 的垂直玻璃管，用感應(yīng)火花或測爆火焰實施點火，利用傳播法進(jìn)行常壓下氣體爆炸極限的測定，通過目測直接觀察，以混合氣體點火后是否發(fā)生爆炸作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于該測定方法在工程上應(yīng)用廣泛，因此目前大多數(shù)國家關(guān)于爆炸極限測定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都采用了類似的方法。如美國材料試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM E681，將點火源剛好能夠通過混合氣體傳播火焰的可燃?xì)怏w濃度定義為爆炸極限，而德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51469，則將爆炸極限定義為混合氣體遇火后會點燃的最高或最低的濃度。ASTM E681標(biāo)準(zhǔn)實驗裝置的爆炸室是一個5dm3的玻璃球體，由固定在球體中央的電極產(chǎn)生的火花點燃爆炸性混合氣體。ASTM 標(biāo)準(zhǔn)實驗方法沒有給出需要的點火能量，點火后同樣以目視觀察的方法來確定混合氣體是否發(fā)生爆炸。DIN 51469 提出了測定爆炸極限的另一種實驗方法，該實驗裝置的爆炸室為高30 cm、直徑6 cm的垂直放置的開口玻璃管，通過安裝在爆炸室底部的兩個電極放電產(chǎn)生火花點火，以火焰離開點火源傳播作為點火判據(jù)[4]。此后，日本、前蘇聯(lián)等一些國家也在美國礦山局裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并制作了一些裝置，這些裝置的特點是：爆炸容器為管狀，采用電火花點火，能廣泛進(jìn)行氣體爆炸極限的測試[5~8]。也就是說，這些標(biāo)準(zhǔn)以及實驗裝置都著眼于工程應(yīng)用，并未嚴(yán)格區(qū)分“燃燒極限”和“爆炸極限”[9]這兩個概念，一般都是觀察先燃燒并產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑ト缓笤僖鸬谋ā?/p>

2可燃性氣體自動爆炸極限測定儀的研制

2.1　儀器結(jié)構(gòu)

可燃性氣體自動爆炸極限測定儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1　可燃性氣體自動爆炸極限測定儀結(jié)構(gòu)示意圖 1-真空接頭，2-密封圈，3-氣氛螺母，4-氣氛鋼管，5-底座，6-絕緣套，7-電極接頭，8-熱電偶，9-壓力傳感器，10-電爐絲，11-隔熱氈，12-放電極，13-外筒，14-內(nèi)筒，15-密封圈，16-防護罩，17-排氣座，18-加有電磁線圈的彈簧，19-孔板。

圖2　可燃性氣體自動爆炸極限測定儀實物圖

如圖1所示，儀器包括進(jìn)氣裝置、點火裝置、控溫控壓裝置、爆炸裝置、測試裝置和控制裝置。進(jìn)氣裝置包括一、二、三路3個進(jìn)氣口和1個抽真空接口，其中一、二路進(jìn)氣口為待測配比氣體進(jìn)氣口，三路固定為空氣或氧氣進(jìn)氣口，各路分壓總和應(yīng)為大氣壓。

爆炸裝置為一個雙層(內(nèi)筒14和外筒13)的罐體，圖2實物圖中露出主機體突出部分即為爆炸腔，采用高強度不銹鋼材料制作，分為內(nèi)筒和外筒，內(nèi)外筒之間有隔熱氈11和電爐絲10，裝置下方為進(jìn)氣裝置和點火裝置，上方為密封圈15和測試裝置。測試裝置是一個帶有電磁線圈的彈簧18，以此來測量爆炸當(dāng)量，同時測試裝置還裝有排氣口即孔板19，用來排出爆炸罐內(nèi)的氣體，排氣孔兼?zhèn)浒踩y功能，防止爆炸腔內(nèi)壓力過高。內(nèi)外腔體和排氣孔的設(shè)置，有效解決了爆炸腔與其他裝置的隔爆問題。

點火裝置采用一個放電電極12對氣體進(jìn)行引燃，爆炸不產(chǎn)生火焰；控溫控壓裝置包括一個熱電偶8和一個壓力傳感器9，兩者同時對爆炸罐體內(nèi)的混合氣體檢測，電爐絲10及隔熱氈11由里及外夾在內(nèi)筒和外筒中間，用來加熱和保溫；控制裝置連接計算機，完成信息的采集及其他工作。

從儀器結(jié)構(gòu)來看，實現(xiàn)了4組分氣體全自動任意比例混合，全自動電子點火，并自動分析爆炸是否產(chǎn)生，記錄爆炸當(dāng)量。主機配備的大屏幕觸摸屏可獨立控制主機，使該儀器具備了單機使用的條件，同時為了使整個測量過程全自動完成，并自動繪圖，還配套設(shè)計了相應(yīng)的控制與數(shù)據(jù)分析軟件，軟件界面如圖3所示。軟件可控制儀器所有功能，并可利用軟件進(jìn)行壓力校正并確定完整爆炸極限區(qū)域，繪制爆炸極限分布圖。

圖3　可燃性氣體自動爆炸極限測定儀軟件界面圖

2.2　儀器的使用方法

可燃性氣體自動爆炸極限測定儀主要技術(shù)參數(shù)如下：

最高爐溫：400℃；

升溫速率：1~10℃/min，自動程序控溫；

溫度精確度：±1℃；

電源電壓：220V±10%，50Hz；

氣體數(shù)目：3路氣體，任意比例混合；

真空泵抽氣速率：2L/min；

測試周期：約15min；

氣體控壓精度：±0.01kPa。

在上述技術(shù)參數(shù)適用范圍內(nèi)儀器可用于測定可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍，并自動計算爆炸當(dāng)量。儀器使用時，首先接通真空接頭，打開真空泵，抽空爆炸腔內(nèi)空氣，然后儀器將開始按照軟件(或液晶屏)輸入的各組分氣體分壓陸續(xù)自動通入氣體。點火裝置利用爆炸腔內(nèi)的放電電極，對氣體進(jìn)行引燃，其優(yōu)點是點火和爆炸過程中不會產(chǎn)生明顯火花，減小點火能量對爆炸實驗的影響，若氣體達(dá)到該氣體的爆炸極限，點火后混合的氣體將會發(fā)生爆炸。對于需要測試不同溫度下氣體爆炸極限，儀器還配有加熱和控溫裝置，保證氣體能在指定的溫度下爆炸，控溫和加熱裝置包括熱電偶、爆炸腔狀態(tài)監(jiān)控傳感器、電熱絲及隔熱氈。爆炸腔內(nèi)的高精度溫度傳感器會實時地監(jiān)控爆炸前后能量的變化，將能量的變化輸出到計算單元，計算出爆炸產(chǎn)生的能量；壓力傳感器將爆炸產(chǎn)生的壓力傳輸給計算單元；電熱絲用來加熱爐體，和隔熱氈一起作用使爆炸腔溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)；最后通過軟件(或液晶屏)將計算出的結(jié)果反饋給用戶。

3可燃性氣體自動爆炸極限測定儀的應(yīng)用

以丙酮在空氣中的爆炸極限測定為例，室內(nèi)溫度t=17.2℃，大氣壓P=100.37kPa時，用該儀器測得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　丙酮在空氣中的爆炸極限測定　kPa

由此測得丙酮在空氣中的爆炸低限為5.18%，高限為13.55%，與文獻(xiàn)值一致。

4結(jié)論與展望

可燃?xì)怏w自動爆炸極限測定儀可用于測定可燃?xì)怏w的爆炸極限配比范圍，根據(jù)各項參數(shù)自動計算并顯示出爆炸能量大小。該儀器可以自動進(jìn)行氣體配比，具有全自動程序控溫功能，自動點火，點火和爆炸過程中不會產(chǎn)生明顯火花，降低了點火時對爆炸能量產(chǎn)生的影響。儀器配備7英寸彩色液晶觸摸屏，便于參數(shù)設(shè)置的輸入及實驗結(jié)果的觀察，操作簡單，安全程度高。可燃?xì)怏w爆炸極限測定周期短，爆炸現(xiàn)象直觀明顯，爆炸后自動排出爆炸產(chǎn)生的能量及尾氣，以便再次進(jìn)行試驗。裝置小巧，不同于其他爆炸裝置需固定在某一位置，可隨意挪動，適合各個領(lǐng)域的爆炸實驗研究。

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