N2/CO2混合氣體對(duì)丙酮爆炸極限的影響*

馮夢(mèng)夢(mèng)，譚迎新，韓　意

(1. 中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

?

N2/CO2混合氣體對(duì)丙酮爆炸極限的影響*

馮夢(mèng)夢(mèng)1，譚迎新1，韓意2

(1. 中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

摘要:為了研究N2、CO2及其混合氣體對(duì)丙酮爆炸極限的影響，使用爆炸極限測(cè)試儀，將氣體按一定比例進(jìn)行混合，從最佳抑爆濃度和抑爆效果兩個(gè)方面進(jìn)行分析. 結(jié)果表明： N2，N2/CO2體積比為2∶1，1∶1，1∶2混合氣體，CO2對(duì)丙酮的爆炸均有抑制作用且最佳抑爆濃度分別為49%，47%，44%，43%，42%； N2/CO2混合氣體中CO2的含量越高，對(duì)丙酮的抑爆效果越好； 不同比例的混合氣體對(duì)丙酮爆炸上限和下限的影響可近似認(rèn)為是線性變化的； 隨著N2，CO2及其混合氣體含量的增加，丙酮的爆炸極限范圍減小，丙酮爆炸的危險(xiǎn)性降低； 當(dāng)惰性氣體增加到一定濃度時(shí)，丙酮的爆炸上限和下限重合，其爆炸極限范圍可以據(jù)此確定.

關(guān)鍵詞:氮?dú)猓?二氧化碳； 丙酮； 爆炸極限； 抑爆效果

0引言

可燃物質(zhì)與空氣混合，當(dāng)其濃度達(dá)到一定范圍時(shí)，遇到火源就會(huì)發(fā)生爆炸. 除了經(jīng)常發(fā)生的甲烷爆炸[1]事故外，丙酮的爆炸事故也常常發(fā)生，防止丙酮爆炸的措施有很多，其中抑爆是比較常用的方法[2-4]. 抑爆又分為惰性氣體抑爆劑和化學(xué)抑爆劑，惰性氣體抑爆劑具有抑爆性能優(yōu)良、來源廣泛、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)，因而受到廣泛的關(guān)注[5-6]. 常用的惰性氣體有CO2，N2，CCl4，水蒸氣等.

關(guān)于惰性氣體對(duì)丙酮的抑爆的研究已有很多，但很多研究都是研究單一的惰性氣體對(duì)丙酮的爆炸極限的影響，而對(duì)混合惰性氣體對(duì)丙酮的爆炸極限的影響的研究相對(duì)較少[7-8]. 本試驗(yàn)采用爆炸極限測(cè)試儀來研究CO2，N2及混合氣體對(duì)丙酮的爆炸極限和抑爆效果的影響并得出抑爆曲線，可以作為參考.

1試驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)數(shù)據(jù)是由FRTA爆炸極限測(cè)試儀來測(cè)定的，該儀器由美國(guó)愛迪賽恩有限公司生產(chǎn). 該儀器用于測(cè)試可燃?xì)怏w和可燃液體蒸氣等化學(xué)物質(zhì)的爆炸極限，也可以測(cè)試含有一定惰性氣體成分的可燃物質(zhì)的爆炸極限. 試驗(yàn)儀器的原理是通過電子點(diǎn)火，觀察火焰是否傳播，火焰?zhèn)鞑ブ敛Ａ萜黜敳縿t認(rèn)為爆炸，反之則認(rèn)為不爆炸. 設(shè)計(jì)適用于以空氣作為氧化劑的測(cè)試. 裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示.

圖1　爆炸極限測(cè)試儀裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Device structure of explosion limit tester

1.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置點(diǎn)火能5 J，電源15 kV/30 mA，環(huán)境溫度為20 ℃左右，真空度為0.074 kPa，環(huán)境濕度為30%左右. 實(shí)驗(yàn)用丙酮濃度99.5%，分析純； 氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)99.9%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)99.9%.

2試驗(yàn)內(nèi)容

2.1丙酮爆炸極限的測(cè)定

有機(jī)可燃?xì)怏w爆炸極限的計(jì)算公式為

式中：A為1摩爾有機(jī)可燃?xì)怏w完全燃燒時(shí)所需的氧氣系數(shù)即摩爾數(shù)[9]，此時(shí)A=4 moL. 丙酮爆炸下限的計(jì)算值為2.56%，爆炸上限的計(jì)算值為13.61%. 爆炸極限試驗(yàn)采用逐步逼近法進(jìn)行測(cè)試，即逐步增加(或減少)丙酮的濃度，然后點(diǎn)火試爆(如果沒有發(fā)生爆炸，每次最少點(diǎn)火3次)，直到發(fā)生爆炸.

2.2惰性氣體對(duì)丙酮爆炸極限的影響

首先檢查試驗(yàn)裝置的氣密性是否良好，然后根據(jù)道爾頓氣體分壓定律來進(jìn)行丙酮和惰性氣體的配氣[10]. 按照試驗(yàn)步驟向玻璃容器中分別通入不同體積分?jǐn)?shù)的惰性氣體，直至丙酮的爆炸上限和下限重合，即丙酮不發(fā)生爆炸. 每次試驗(yàn)重復(fù)3次. 分別通入純N2，體積比為2∶1，1∶1，1∶2的N2/CO2，純CO2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示.

圖2　不同比例的惰性氣體對(duì)爆炸極限的影響Fig.2　Influence on explosion limit for inert gases mixture with different compositions

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為不同比例的N2和CO2混合氣體對(duì)丙酮爆炸極限的影響. 由圖2 可以看出，隨著惰性氣體的加入，丙酮的爆炸極限范圍減小，惰性氣體對(duì)丙酮的爆炸有一定程度上的抑制作用. 這是因?yàn)樵诒屑尤攵栊詺怏w后，混合氣體中單位體積內(nèi)氧氣的含量被稀釋，故減少了丙酮蒸氣分子和氧分子作用的機(jī)會(huì)，同時(shí)也使得混合氣體和氧氣發(fā)生隔離，當(dāng)活化分子碰撞到惰化氣體分子時(shí)會(huì)使活化分子失去活化能從而不能發(fā)生反應(yīng). 惰性氣體對(duì)爆炸上限的影響相對(duì)來說較大，爆炸上限有一定程度上的下降，而對(duì)爆炸下限影響很小，只是略微上升. 這是因?yàn)樵诒ㄉ舷薷浇鼤r(shí)，單位體積內(nèi)氧氣的含量很小，惰性氣體的加入使單位體積內(nèi)得氧氣的含量更小，不容易發(fā)生爆炸，所以對(duì)爆炸上限有一定程度上的影響. 不同混合比例的惰性氣體對(duì)丙酮的爆炸上限和下限的影響可近似認(rèn)為是線性變化的. 當(dāng)惰性氣體增加到一定濃度時(shí)，丙酮的爆炸上限和下限重合，丙酮蒸氣不再發(fā)生爆炸，此時(shí)惰性氣體的濃度為最佳抑爆濃度.

從最佳抑爆濃度來看，純N2，體積比為2∶1，1∶1，1∶2的N2/CO2混合氣體，純CO2的最佳抑爆濃度分別是49%，47%，44%，43%，42%，純N2的最佳抑爆濃度最高，純CO2的最佳抑爆濃度最高，混合氣體的最佳抑爆濃度居中，說明對(duì)相同體積的丙酮進(jìn)行抑爆需要更多的N2. 從抑爆效果來看，加入10%的純CO2和加入10%的純N2相比較，丙酮的爆炸上限前者下降為9.99%，后者下降為11.82%，說明CO2比N2有更好的抑爆效果. 加入20%的N2/CO2體積比分別為2∶1，1∶1，1∶2的混合氣體，丙酮的爆炸上限分別下降為9.53%，8.82%，8.10%，說明混合氣體中CO2的含量越高，對(duì)丙酮的抑爆效果越好.

4結(jié)論

1) N2，CO2對(duì)丙酮的爆炸均有抑制作用且CO2比N2有更好的抑爆效果；

2) 隨著N2，CO2含量的增加，丙酮的爆炸極限范圍減小，爆炸的危險(xiǎn)性變小；

3) 不同比例的混合氣體對(duì)丙酮爆炸上限和下限的影響可近似認(rèn)為是線性變化的；

4) N2/CO2混合氣體中CO2的含量越高，對(duì)丙酮的抑爆效果越好；

5) N2，CO2及混合氣體增加到一定濃度時(shí)，丙酮的爆炸上限和爆炸下限重合，爆炸極限范圍可以據(jù)此確定.

參考文獻(xiàn)：

[1]游天龍，譚迎新，許航. 水平管道內(nèi)甲烷-煤塵混合爆炸壓力的研究[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，35(4)： 449-452.

You Tianlong, Tan Yingxin, Xu Hang. Study on methane-coal dust explosion pressure in a horizontal pipeline[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition)，2014，35(4)： 449-452. (in Chinese)

[2]胡棟，袁長(zhǎng)迎，李萍，等. 惰性物對(duì)爆炸的遏制[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2003，4(3)： 11-13.

Hu Dong, Yuan Changying, Li Ping, et al. Inhibition of inertmaterialson explosion[J]. Journal of Safety and Environment, 2003，4(3)： 11-13. (in Chinese)

[3]李成兵. N2/CO2/H2O抑制甲烷爆炸化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析[J]. 中國(guó)安全科學(xué)報(bào)，2010，8(20)： 88- 92.

Li Chengbing. Chemical kinetics mechanism analysis of N2/CO2/H2O suppressing methane explosion[J]. China Safety Science Journal(CSSJ), 2010，8(20)： 88- 92. (in Chinese)

[4]何昆. 二氧化碳抑爆性能試驗(yàn)研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2011，30(6)： 476-478.

He Kun. Experimental research on combustion characteristics of bitumen[J]. Fire Science and Technology, 2011，30(6)： 476-478. (in Chinese)

[5]吳志遠(yuǎn)，胡雙啟，譚迎新. 氮?dú)鈱?duì)人工煤氣抑爆技術(shù)的試驗(yàn)研究[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27(2)： 104-107.

Wu Zhiyuan, Hu Shuangqi, Tan Yingxin. A study on the suppressing technology of explosion of the artificial coal gases[J]. Journal of Shanxi University of Science & Technology, 2009，27(2)： 104-107. (in Chinese)

[6]喻健良，陳鵬. 惰性氣體對(duì)爆燃火焰淬熄的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，14(3)： 193-198.

Yu Jianliang, Chen Peng. Influence of inert gases to deflagration flame quenching[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2008，14(3)： 193-198. (in Chinese)

[7]Benedetto A D，Sarli V D，Salzanoe E，et al. Explosion behavior of CH4/O2/N2/CO2and H2/O2/N2/CO2mixtures[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(16)： 6970-6978.

[8]Rzaus D，Movileanu C，Brinzea V，et al. Closed vessel combustion of propylene-air mixtures in the presence of exhaust gas[J]. Fuel，2007，86(12)： 1865-1872.

[9]解立峰，李斌，沈正祥，等. 可燃液體爆燃特性及其抑制研究[J]. 爆炸與擊, 2009，29(6)： 559-664.

Xie Lifeng, Li Bin, Shen Zhangxiang, et al. Experiment on combustion and detonation characteristics and its suppression for liquid vapor[J]. Explosion and Shock Waves, 2009, 29(6)： 599-664. (in Chinese)

[10]劉曉波. 防爆試驗(yàn)自動(dòng)配氣方法的探討[J]. 煤礦安全，2008，7(11)： 100-103.

Liu Xiaobo. iscussion on automatic gas distribution method of explosion-proof tes[J]. Safety in Coal Mines, 2008，7(11)： 100-103. (in Chinese)

Influence of N2/CO2Mixture on Acetone Explosion Limit

FENG Mengmeng1, TAN Yingxin1, HAN Yi2

(1. College of Chemical and Environment，North University of China, Taiyuan 030051，China；2. PLA Unit 63961, Beijing 100012, China)

Abstract:To study the influence of N2, CO2 and mixed gas on the explosion limit of acetone, experimental investigation on the best concentration of explosion suppression and explosion suppression effect were measured by explosion limit tester and the gas is mixed by a certain percentage. Results show that N2, N2/CO2 volume ratio of 2∶1, 1∶1, 1∶2, CO2 have suppression on acetone's explosion and the best concentration of explosion suppression respectively are 49%,47%,44%,43%,42%.The higher the composition ratios of CO2 in mixed gas, the better the explosion suppression effect for acetone. The influence of various composition of inert gases on explosion limit of acetone mixture can be considered to be linear. With N2, CO2 and mixed gas content increases, the acetone explosion limit is reduced and then the risk of acetone explosion is reduced too. When the inert gas is increased to a certain concentration, the upper and lower explosive limits of acetone are coincident and the explosion limit range can be determined accordingly.

Key words:nitrogen; carbon dioxide; acetone; explosion limit; explosion suppression effect

文章編號(hào):1671-7449(2016)04-0365-04

收稿日期：2016-04-10

基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006年)

作者簡(jiǎn)介：馮夢(mèng)夢(mèng)(1989-)，女，碩士生，主要從事危險(xiǎn)化學(xué)品的防火與防爆研究.

中圖分類號(hào):X932

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.014