可燃性气体爆炸极限自动测定仪的研制

联系人：宋江闯，misong@ecust.edu.cn

可燃性气体爆炸极限自动测定仪的研制

熊焰1孙立鑫2赵会玲1宋江闯1*

(1.华东理工大学化学实验教学中心，上海 200237； 2北京恒久实验设备有限公司，北京 101500)

摘要：目前关于爆炸极限测定的工业标准和实际测试装置由于实验教学安全等方面的限制，不太适合于实验教学，也不利于推广。本文介绍了一种可燃性气体爆炸极限自动测定实验装置，可用于测定可燃气体的爆炸极限配比范围，并可根据各项参数自动计算爆炸当量。该仪器可以自动进行气体配比，具有全自动程序控温功能，自动点火，装置小巧，可随意挪动，适合各个领域的爆炸实验研究。

关键词：爆炸极限；化学动力学；自动仪器

作者简介：熊焰，男，1979出生，高级实验师。

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

收稿日期：2014-09-25

基金项目:质检公益性行业科研专项经费资助(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

许多物质都能和氧气反应，不论是工业生产过程如乙烯氧化制环氧乙烷、乙醛氧化制醋酸、苯氧化得到顺丁烯二酸酐等，还是燃料如汽油、柴油、天然气等通过燃烧得到热能或动力，都有一个控制不当引起爆炸的问题[1]。可燃性气体(或蒸气)在空气中具有燃烧爆炸的危险，爆炸浓度极限是判断其爆炸危险性的一个重要参数，准确地知道爆炸极限范围对于研究爆炸性气体十分重要。因此在安全工程领域对气体爆炸极限的研究比较深入，也设计了许多爆炸极限测定装置，很多国家还相应出台了关于爆炸极限测定的国家或行业标准。

目前关于爆炸极限测定的工业标准和实际测试装置由于实验教学安全等方面的限制，不太适合于实验教学，也不利于推广。本文介绍了一种可燃性气体爆炸极限自动测定实验装置，可用于测定可燃气体的爆炸极限配比范围，并可根据各项参数自动计算爆炸当量。该仪器可以自动进行气体配比，具有全自动程序控温功能，自动点火，装置小巧，可随意挪动，适合各个领域的爆炸实验研究。

1可燃性气体爆炸极限测定原理

氧化反应多为链反应机理。支链反应在传递中，一个自由基能产生一个以上的新自由基，链的传递过程呈枝叉发射状。一般可表示为：

………………

其中α>1。自由基的增长非常迅速，设想链传递了100次，2100=1030，由一个自由基产生的新自由基即达天文数字，爆炸原因即在此。要控制支链反应，使之不至于失控爆炸，必须及时销毁自由基。有两种途径：(1)墙面销毁，与容器或充填物表面碰撞而失去活性;(2)气相销毁，在气相中互撞或与惰性分子相碰而失去活性。正因为自由基可能在反应过程中销毁，所以可燃气体的氧化反应并不是在所有情况下都发生爆炸。

有关可燃性气体爆炸极限的研究，国外进行得比较早。最早提出测定气体与可燃蒸气爆炸极限的是美国矿山局的Coward 及Jone 发表的《气体和蒸气燃烧范围》的报告，其中介绍了一种测定气体爆炸极限的装置,此装置常被后人作为试验的标准装置使用[2]。1965 年美国矿山局的Zabetakis 发表了《可燃性气体及蒸气的可燃特性》一文[3]，指出Coward 使用的装置所存在的问题，并设计了采用电火花点火、直径5 cm、长125～150 cm 的垂直玻璃管，用感应火花或测爆火焰实施点火，利用传播法进行常压下气体爆炸极限的测定，通过目测直接观察，以混合气体点火后是否发生爆炸作为判断标准。由于该测定方法在工程上应用广泛，因此目前大多数国家关于爆炸极限测定的工业标准都采用了类似的方法。如美国材料试验学会标准ASTM E681，将点火源刚好能够通过混合气体传播火焰的可燃气体浓度定义为爆炸极限，而德国工业标准DIN 51469，则将爆炸极限定义为混合气体遇火后会点燃的最高或最低的浓度。ASTM E681标准实验装置的爆炸室是一个5dm3的玻璃球体，由固定在球体中央的电极产生的火花点燃爆炸性混合气体。ASTM 标准实验方法没有给出需要的点火能量，点火后同样以目视观察的方法来确定混合气体是否发生爆炸。DIN 51469 提出了测定爆炸极限的另一种实验方法，该实验装置的爆炸室为高30 cm、直径6 cm的垂直放置的开口玻璃管，通过安装在爆炸室底部的两个电极放电产生火花点火，以火焰离开点火源传播作为点火判据[4]。此后，日本、前苏联等一些国家也在美国矿山局装置的基础上进行改进并制作了一些装置，这些装置的特点是：爆炸容器为管状，采用电火花点火，能广泛进行气体爆炸极限的测试[5~8]。也就是说，这些标准以及实验装置都着眼于工程应用，并未严格区分“燃烧极限”和“爆炸极限”[9]这两个概念，一般都是观察先燃烧并产生火焰传播然后再引起的爆炸。

2可燃性气体自动爆炸极限测定仪的研制

2.1　仪器结构

可燃性气体自动爆炸极限测定仪结构示意图如图1所示，实物如图2所示。

图1　可燃性气体自动爆炸极限测定仪结构示意图 1-真空接头，2-密封圈，3-气氛螺母，4-气氛钢管，5-底座，6-绝缘套，7-电极接头，8-热电偶，9-压力传感器，10-电炉丝，11-隔热毡，12-放电极，13-外筒，14-内筒，15-密封圈，16-防护罩，17-排气座，18-加有电磁线圈的弹簧，19-孔板。

图2　可燃性气体自动爆炸极限测定仪实物图

如图1所示，仪器包括进气装置、点火装置、控温控压装置、爆炸装置、测试装置和控制装置。进气装置包括一、二、三路3个进气口和1个抽真空接口，其中一、二路进气口为待测配比气体进气口，三路固定为空气或氧气进气口，各路分压总和应为大气压。

爆炸装置为一个双层(内筒14和外筒13)的罐体，图2实物图中露出主机体突出部分即为爆炸腔，采用高强度不锈钢材料制作，分为内筒和外筒，内外筒之间有隔热毡11和电炉丝10，装置下方为进气装置和点火装置，上方为密封圈15和测试装置。测试装置是一个带有电磁线圈的弹簧18，以此来测量爆炸当量，同时测试装置还装有排气口即孔板19，用来排出爆炸罐内的气体，排气孔兼备安全阀功能，防止爆炸腔内压力过高。内外腔体和排气孔的设置，有效解决了爆炸腔与其他装置的隔爆问题。

点火装置采用一个放电电极12对气体进行引燃，爆炸不产生火焰；控温控压装置包括一个热电偶8和一个压力传感器9，两者同时对爆炸罐体内的混合气体检测，电炉丝10及隔热毡11由里及外夹在内筒和外筒中间，用来加热和保温；控制装置连接计算机，完成信息的采集及其他工作。

从仪器结构来看，实现了4组分气体全自动任意比例混合，全自动电子点火，并自动分析爆炸是否产生，记录爆炸当量。主机配备的大屏幕触摸屏可独立控制主机，使该仪器具备了单机使用的条件，同时为了使整个测量过程全自动完成，并自动绘图，还配套设计了相应的控制与数据分析软件，软件界面如图3所示。软件可控制仪器所有功能，并可利用软件进行压力校正并确定完整爆炸极限区域，绘制爆炸极限分布图。

图3　可燃性气体自动爆炸极限测定仪软件界面图

2.2　仪器的使用方法

可燃性气体自动爆炸极限测定仪主要技术参数如下：

最高炉温：400℃；

升温速率：1~10℃/min，自动程序控温；

温度精确度：±1℃；

电源电压：220V±10%，50Hz；

气体数目：3路气体，任意比例混合；

真空泵抽气速率：2L/min；

测试周期：约15min；

气体控压精度：±0.01kPa。

在上述技术参数适用范围内仪器可用于测定可燃气体的爆炸极限范围，并自动计算爆炸当量。仪器使用时，首先接通真空接头，打开真空泵，抽空爆炸腔内空气，然后仪器将开始按照软件(或液晶屏)输入的各组分气体分压陆续自动通入气体。点火装置利用爆炸腔内的放电电极，对气体进行引燃，其优点是点火和爆炸过程中不会产生明显火花，减小点火能量对爆炸实验的影响，若气体达到该气体的爆炸极限，点火后混合的气体将会发生爆炸。对于需要测试不同温度下气体爆炸极限，仪器还配有加热和控温装置，保证气体能在指定的温度下爆炸，控温和加热装置包括热电偶、爆炸腔状态监控传感器、电热丝及隔热毡。爆炸腔内的高精度温度传感器会实时地监控爆炸前后能量的变化，将能量的变化输出到计算单元，计算出爆炸产生的能量；压力传感器将爆炸产生的压力传输给计算单元；电热丝用来加热炉体，和隔热毡一起作用使爆炸腔温度控制在设定的范围内；最后通过软件(或液晶屏)将计算出的结果反馈给用户。

3可燃性气体自动爆炸极限测定仪的应用

以丙酮在空气中的爆炸极限测定为例，室内温度t=17.2℃，大气压P=100.37kPa时，用该仪器测得的实验数据如表1所示。

表1　丙酮在空气中的爆炸极限测定　kPa

由此测得丙酮在空气中的爆炸低限为5.18%，高限为13.55%，与文献值一致。

4结论与展望

可燃气体自动爆炸极限测定仪可用于测定可燃气体的爆炸极限配比范围，根据各项参数自动计算并显示出爆炸能量大小。该仪器可以自动进行气体配比，具有全自动程序控温功能，自动点火，点火和爆炸过程中不会产生明显火花，降低了点火时对爆炸能量产生的影响。仪器配备7英寸彩色液晶触摸屏，便于参数设置的输入及实验结果的观察，操作简单，安全程度高。可燃气体爆炸极限测定周期短，爆炸现象直观明显，爆炸后自动排出爆炸产生的能量及尾气，以便再次进行试验。装置小巧，不同于其他爆炸装置需固定在某一位置，可随意挪动，适合各个领域的爆炸实验研究。

参考文献

[1]胡英.物理化学(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2007：288-291.

[2] Coward H F, Jones G W. Limits of flammability of gases and vapors [M]. Washington DC: US Bureau of Mines Bulletin 503 , 1952.

[3] Zabetakis M G. Flammability Characteristics of combustion gases and vapors [M]. Washington DC: US Bureau of Mines Bulletin 627 ,l965.

[4]王华,邓军,王连华,等.可燃性气体爆炸研究现状及发展方向[J].矿业安全与环保,2008,35(3):79-82.

[5]陈光明,王海鹰,王勤,等. 测试方法对可燃性制冷剂爆炸极限影响的研究[J]. 浙江大学学报(工学版),2007,41(12):2098-2102.

[6]胡耀元,周邦智,杨元法,等.H2,CH4,CO多元爆炸性混合气体的爆炸极限及其容器因素[J].中国科学(B辑),2002,32(1):35-39.

[7]郑立刚,余明高,于水军. 多元混合气爆炸极限的非线性预测研究[J].中国安全科学学报,2006,16(10):94-99.

[8]张增亮,蔡康旭. 可燃气体(液体蒸气)的爆炸极限与最大允许氧含量的对比研究[J].中国安全科学学报,2005,15(12):64-68.

[9]近藤重雄.燃烧极限与爆炸极限[J].爆炸性环境电气防爆技术,1998,134(4):36-37.