初始溫度和壓力對乙炔分解爆炸參數(shù)影響的實驗研究?

高 凱 熊新宇 鳳文楨 解立峰 韓志偉 李 斌

南京理工大學化工學院(江蘇南京，210094)

引言

乙炔(C2H2)又稱電石氣，在有機化學工業(yè)中有著重要的作用。 它是現(xiàn)代合成塑料、橡膠、纖維、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、樹脂和溶劑等許多有機產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料。 乙炔在金屬切割、噴鍍、表面淬火等方面也有著廣泛應用。

工業(yè)上可用煤、石油或天然氣作為燃料生產(chǎn)乙炔，生產(chǎn)方法主要包括電石法烴類裂解法、天然氣部分氧化法和煤直接制取乙炔法等。 由于我國石油和天然氣資源較貧乏，煤炭資源雖豐富，但用等離子體熱解煤的技術(shù)尚不成熟，所以目前國內(nèi)生產(chǎn)乙炔主要是采用電石法[1-5]。 乙炔是危險性極大的易燃易爆氣體，在工業(yè)生產(chǎn)、儲存和加工利用乙炔的過程中，難免會因受壓過高或意外能量釋放而發(fā)生分解爆炸事故。

目前，有關(guān)乙炔燃爆特性的研究有很多。朱云峰等[6]采用爆轟管分析了初始壓力對乙炔分解爆炸壓力及最小點火能的影響。 郭璐等[7]對加入部分雜質(zhì)(微量氧氣、硫化氫、鐵銹、氮氣等)的乙炔的放熱情況、最小點火能和燃爆參數(shù)進行了實驗研究，得出雜質(zhì)對乙炔發(fā)生分解爆炸的影響。 王犇等[8]主要研究了乙炔/空氣混合氣的燃爆特性及氮氣對乙炔分解爆炸的抑制效果。 Holtappels 等[9]采用2.8 L 圓柱形爆炸容器考察了在不同壓力和溫度條件下乙炔混合物的穩(wěn)定性，測試了C2H2/N2、C2H2/CO2、C2H2/H2、C2H2/NH3和 C2H2/C2H4等混合物在不同壓力和溫度下的爆炸極限。 Mizutani 等[10]在1 L圓柱形密閉容器中實驗研究了乙炔在-60 ～0 ℃和0.2 MPa 壓力條件下的分解爆炸特性。

乙炔的臨界分解壓力隨容器直徑的增加而降低。 乙炔氣體發(fā)生爆炸主要表現(xiàn)于兩方面，除了與空氣混合可形成爆炸性混合物外，由于自身化學性質(zhì)極不穩(wěn)定，在沒有氧化劑的條件下也會分解進而發(fā)生爆炸反應[11-13]。

上述文獻對于乙炔分解爆炸參數(shù)影響因素的實驗研究較少，進行本研究可以彌補這方面的不足，從而為避免乙炔發(fā)生分解爆炸事故提供技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 系統(tǒng)裝置

實驗裝置如圖1 所示。 采用圓柱形密閉罐作為測試裝置，其容積為20 L、最大耐壓為7 MPa。

所用乙炔氣體在乙炔發(fā)生裝置中產(chǎn)生，乙炔發(fā)生裝置內(nèi)底部放置電石，內(nèi)部上方放置水，中間安裝電磁閥從而控制上方進水量。 產(chǎn)生的乙炔氣體經(jīng)由發(fā)生裝置側(cè)壁的氣體管路通入測試裝置，并通過氣體管路上的電磁閥控制乙炔氣體進氣量，通過電腦來控制電磁閥開關(guān)。 點火源位于20 L 反應罐中心，熔斷絲(20 J)用來點火熔斷，隔離變壓起爆器用來接通直流電源給熔斷絲通電，使其熔斷釋放能量，熔斷絲釋放能量的大小由其長度決定。 反應容器上表面安裝壓力表(量程為0～0.5 MPa)，用來觀察罐內(nèi)壓力示數(shù)，并通過分別控制兩個電磁閥來調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)的初始壓力。 將20 L 反應容器置于溫度控制系統(tǒng)內(nèi)，從而實現(xiàn)對反應系統(tǒng)初始溫度的調(diào)節(jié)控制。測試系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、熱電偶。 PCB113B系列壓力傳感器，量程為1 000 psi (68 MPa)；PT100防爆熱電偶，測量范圍為-200～600 ℃。 并采用瑞士Elsys 數(shù)據(jù)采集儀器來采集壓力數(shù)據(jù)。

1.2 實驗步驟

連接實驗系統(tǒng)各部分，每次實驗前均需進行氣體密閉性調(diào)試。 對整個實驗系統(tǒng)進行抽真空處理后，打開氣體發(fā)生裝置內(nèi)部的電磁閥，保證電石和水的充分接觸反應。 開啟氣體管路的電磁閥，確保乙炔氣體進入反應裝置并達到一定的壓力。 打開溫度控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)實驗初始溫度后點火引爆，并記錄壓力變化。 按照預定工況條件分別進行實驗。 參照歐盟標準判斷爆炸發(fā)生與否，即壓力超過實驗初始壓力的7%作為發(fā)生爆炸的判斷依據(jù)[8]。 若每次實驗后未發(fā)現(xiàn)壓力超過初始壓力的7%且溫度未明顯升高時，需再次重復。 若重復5 次結(jié)果仍未改變，則未發(fā)生爆炸。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始壓力對乙炔分解爆炸參數(shù)的影響

2.1.1 初始壓力對乙炔最大分解爆炸壓力的影響

圖2 為乙炔氣體在初始溫度分別為40、60 ℃和80 ℃下最大爆炸壓力隨初始壓力變化的曲線。 從圖2 可以看出，隨著初始壓力的增大，不同溫度下乙炔分解爆炸壓力均呈現(xiàn)增大趨勢。

圖2 乙炔分解pm-p0 變化曲線Fig.2 pm-p0 curve of acetylene decomposition

可燃氣體在密閉容器中發(fā)生爆炸時所產(chǎn)生的最大壓力pm取決于初始壓力和爆炸前、后氣體的物質(zhì)的量變化和溫度變化[14]， 即

式中：ne為反應終態(tài)氣體的物質(zhì)的量；Te為反應終態(tài)氣體的溫度；n0和T0分別為反應初態(tài)氣體的物質(zhì)的量和溫度；p0為初始壓力。

在一定的初始壓力和初始溫度條件下，爆炸反應最終的火焰溫度是一定的。 因此，從式(1)可看出，最大爆炸壓力pm與初始壓力p0成正比關(guān)系。 此外，初始壓力增大，使得反應容器內(nèi)乙炔氣體密度變大，單位體積內(nèi)參與分解的分子數(shù)量增多，大大增加了自由基的碰撞概率及能量的傳遞效率，加速了乙炔分解反應速率，因而使得最終爆炸壓力變大。

圖3 為不同溫度條件下乙炔最大分解壓力上升速率(dp/dt)max隨初始壓力p0變化的趨勢圖。 可以看出，最大分解壓力上升速率同樣與初始壓力成正比關(guān)系，初始壓力增大的過程中，上升速率大體呈增長趨勢。

圖3 乙炔分解的(dp/dt)max-p0 變化曲線Fig.3 (dp/dt)max-p0 curves of acetylene decomposition

管狀密閉容器中，氣體爆炸壓力的上升速率[14]可表示為

式中：α為湍流速度；Kr為實驗測定的參考燃燒速度；L為容器的長度。 將式(1)代入式(2)，得到

可以看出，最大分解壓力的上升速率與初始壓力成線性正比關(guān)系。 則乙炔初始壓力增大，最大分解壓力的上升速率也隨之增大。 且在大于0.14 MPa 后，p0對于最大壓力上升速率影響較大。 根據(jù)反應動力學原理[15]，參與反應的分子碰撞機會增加且新自由基產(chǎn)生速度加快，從而加快火焰擴散速度，系統(tǒng)內(nèi)最大分解爆炸壓力到達的速率隨之增大。

2.1.2 初始壓力對乙炔到達最大分解爆炸壓力所需時間的影響

圖4 為不同溫度下到達乙炔最大分解壓力所需的時間tm與初始壓力p0之間的關(guān)系變化曲線。 圖4 中，不同溫度下tm均隨p0的增大而減小。

圖4 乙炔分解的tm-p0 變化曲線Fig.4 tm-p0 curve of acetylene decomposition

分解反應從開始發(fā)生至達到最大爆炸壓力的時間變短，即乙炔發(fā)生分解反應的速率變快。 根據(jù)化學動力學理論，反應速率可表示為

式中：A 和 B 為反應物；α和β為反應物對應的化學計量數(shù)；v為反應速率；k為速率常數(shù)。

可見，化學反應的速率與反應物的濃度以及速率常數(shù)k成正比關(guān)系[11]。 在初始溫度和壓力等環(huán)境條件一定的情況下，通常速率常數(shù)k不變。 因此，當系統(tǒng)內(nèi)反應氣體的密度增大時，乙炔分解的化學反應速率增大，到達最大分解爆炸壓力的時間縮短。p0低于0.14 MPa 時，由于初始壓力比較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，火焰向容器壁的部分熱量損失較多[10]，則爆炸壓力的增幅較小，且到達最大爆炸壓力的速度較慢，最終最大分解爆炸壓力較小。

2.2 初始溫度對乙炔分解爆炸參數(shù)的影響

2.2.1 初始溫度對乙炔臨界分解壓力的影響

工業(yè)生產(chǎn)乙炔過程中的溫度可達40 ℃以上，且實際運行中產(chǎn)生靜電的能量較小。 采用點火能量約為20 J 的熔斷絲通電熔斷后釋放能量，考察了溫度為40 ～80 ℃范圍內(nèi)乙炔臨界分解壓力的變化。 在沒有與空氣混合的情況下，乙炔氣體在某一特定溫度和點火能量下，剛好能發(fā)生分解爆炸反應的初始壓力即為該溫度和點火能量下的臨界分解壓力。 表1 為各初始溫度下乙炔氣體在20 L 爆炸容器內(nèi)發(fā)生分解爆炸對應的臨界初始壓力。

從表1 中發(fā)現(xiàn)，初始溫度升高時，乙炔分解的臨界初始壓力呈下降趨勢。 40 ℃對應的臨界初始壓力為0.093 MPa；溫度升高到80 ℃后，臨界初始壓力減小到0.075 MPa。 在溫度升高的情況下，乙炔分子C ═C 鍵獲得的能量極不穩(wěn)定，使得分解反應加快；且分子可獲得的活化能增加，活化乙炔分子增加，進而分子動能增加，使活化分子具有更大的沖擊能量，爆炸反應容易進行；在原來不能使火焰蔓延的乙炔氣體濃度下，燃燒反應得以發(fā)生。 從而增大了乙炔分解危險性，使得溫度升高時爆炸更容易發(fā)生。

表1 不同初始溫度下乙炔氣體分解爆炸的臨界初始壓力Tab.1 Critical initial pressure of decomposition explosion of acetylene gas at different initial temperatures

2.2.2 初始溫度對乙炔分解爆炸壓力的影響

同樣，主要考察了40 ～80 ℃范圍內(nèi)初始溫度變化對于乙炔分解爆炸特性的影響。 從圖2 中可以看出，在40 ～80 ℃溫度范圍內(nèi)，最大爆炸壓力pm隨初始溫度的升高而降低。 這是因為初始溫度升高時，點火源附近的乙炔分子獲得內(nèi)能，增大了反應速度。但反應氣體體積膨脹，反應物質(zhì)的總質(zhì)量變小，分子內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，使得反應氣體分子間距變大，能量傳遞發(fā)生損耗且傳遞效率降低。 同時，初始溫度升高，使得鏈式反應中反應物質(zhì)和生成物質(zhì)的溫度梯度減小，單位體積內(nèi)反應區(qū)和未反應區(qū)之間的傳熱也減少，導致最大分解爆炸壓力減小。

圖5 為初始壓力為0.18 MPa 下乙炔分解爆炸壓力隨時間的變化曲線。 從圖5 也可看出，40 ℃對應的乙炔最大分解爆炸壓力為2.1 MPa，而60 ℃和80 ℃下對應的最大分解爆炸壓力則依次減小，分別為 1.8、1.6 MPa。

圖5 初壓0.18 MPa 時乙炔分解的p-t 曲線Fig.5 p-t curve of acetylene decomposition under the initial pressure of 0.18 MPa

2.2.3 初始溫度對乙炔分解爆炸最大壓力上升速率的影響

從圖3 可看出，初始壓力為0.18 MPa 且點火能量不變的情況下，40、60 ℃和80 ℃對應的最大分解壓力上升速率分別為46. 3、27. 5 MPa/s 和19. 7 MPa/s。 Mizutani 等[10]在 1 L 圓柱形容器中研究發(fā)現(xiàn)，初始溫度在-60 ～30 ℃范圍內(nèi)，乙炔的最大分解爆炸壓力的上升速率隨初始溫度的升高而降低。在40 ～80 ℃下也同樣得出此變化規(guī)律。 可見，在-60 ～80 ℃下，初始溫度對乙炔最大壓力上升速率的影響規(guī)律相似。

除了可以得到初始溫度對乙炔分解爆炸壓力的影響規(guī)律之外，圖5 中也呈現(xiàn)了初始壓力0.18 MPa時，不同初始溫度下乙炔到達最大分解壓力所需的時間。 在初始溫度為40 ℃下，到達最大分解壓力所需的時間最短，80 ℃下為最長。 且在圖4 中也可看出，40 ℃下的tm曲線位于最下方，80 ℃對應的則在最上方。 在初始壓力p0不變和定容V的條件下，根據(jù)氣體狀態(tài)方程p0V ＝nRT0，初始溫度增大時，n減小，即反應容器內(nèi)乙炔氣體分子量減少，空間氣體密度變??；因此，分解反應速率變慢，導致最大壓力的上升速率減小，到達最大分解壓力所需的時間延長。

3 結(jié)論

通過在20 L 爆炸罐中對初始溫度為40 ～80℃、初始壓力為0.095 ～0.200 MPa 下的乙炔相關(guān)分解爆炸參數(shù)變化規(guī)律的實驗研究發(fā)現(xiàn)：

1)初始壓力為0.095 ～0.200 MPa 時，乙炔最大分解爆炸壓力及最大分解爆炸壓力的上升速率隨初始壓力的增大而增大，到達乙炔最大分解爆炸壓力的時間則隨初始壓力的增大而減??；

2)初始溫度為40 ～80 ℃范圍內(nèi)，乙炔臨界分解爆炸壓力、最大分解爆炸壓力及最大分解爆炸壓力的上升速率隨初始溫度的升高而減小。