張可,孟現(xiàn)陽,楊小莉,吳江濤

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安)

最低可燃溫度實驗測量系統(tǒng)的研制

張可,孟現(xiàn)陽,楊小莉,吳江濤

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安)

由于閃點不能完全準確表示液體可燃的最低溫度,根據(jù)ASTM E1232-07標準,研制了一套測量可燃性物質(zhì)最低可燃溫度的實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于液體及固體的可燃性實驗研究,實驗測量的重復性與準確度均優(yōu)于±0.5 ℃。對ASTM E1232-07標準中給出的兩種可燃性物質(zhì)進行了測試,驗證了實驗系統(tǒng)的準確性。利用新研制的實驗系統(tǒng)對幾種常見可燃性液體的最低可燃溫度進行了實驗研究,并將其與閃點的測量結(jié)果進行了比較,在所研究的幾種可燃性物質(zhì)中,閃點與最低可燃溫度的最大偏差達到了4 ℃,實驗結(jié)果表明閃點測量結(jié)果具有一定的安全局限性。

最低可燃溫度;閃點;可燃性

閃點是描述液體可燃性的重要指標,可燃性液體的危險等級一般根據(jù)閃點進行劃分。國標中給出的閃點的定義為:在規(guī)定的試驗條件下,試驗火焰引起試樣蒸氣著火,并使火焰蔓延至液體表面的最低溫度,修正到標準大氣壓下[1]。根據(jù)閃點的定義,閃點與測量的實驗條件直接相關。閃點測量分為開口杯與閉口杯兩種方法,測量容器的體積均不超過120 mL。最低可燃溫度的定義為:可燃性液體的飽和蒸氣在其與空氣混合物中的濃度達到其爆炸下限時所對應的溫度,修正到標準大氣壓下[2]。最低可燃溫度在美國與歐洲有著不同的命名,在美國稱為low temperature limit of flammability (LTL),在歐洲則稱為lower explosion point (LEP)。

圖1是閃點、最低可燃溫度與爆炸下限(LFL)的關系圖,其關系式如下

(1)

圖1 液體的閃點、最低可燃溫度與爆炸下限的關系

最低可燃溫度與閃點表示的均為可燃性物質(zhì)可以被點燃的最低溫度。然而,由于閃點測量容器的體積偏小,容器壁面的猝熄作用使閃點測量結(jié)果一般大于或等于實際的最低可燃溫度,而對于難燃或者燃燒時需要較大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的可燃性液體,閃點測量甚至會得出不可燃的結(jié)論,如二氯甲烷、三氯乙烯等[3-4]。在實際應用中,如果將這些液體當作不可燃對待,必將產(chǎn)生安全隱患。因此,對可燃性物質(zhì)的最低可燃溫度進行研究,是一項非常必要的工作。

1 最低可燃溫度實驗測量系統(tǒng)

美國的ASTM E1232標準規(guī)定了最低可燃溫度的測試方法[2],其測試方法與測試可燃性氣體或蒸氣爆炸極限的ASTM E681標準的方法類似,測試容器為5 L球形玻璃燒瓶。閃點的測量是在升溫過程中同時進行的,而最低可燃溫度則需要使溫度達到平衡后進行測量。由于閃點測量的效率遠高于最低可燃溫度的測量,因此目前國內(nèi)還沒有關于最低可燃溫度的研究,而國外在該方面的研究也比較少見。通過對文獻的調(diào)研,僅發(fā)現(xiàn)Rowley使用基于ASTM E681標準的12 L球形玻璃燒瓶對幾種物質(zhì)的最低可燃溫度進行了實驗研究[5],此外Brandes等使用基于測量爆炸極限的EN 1839標準的方法得到了一系列純質(zhì)與混合物最低可燃溫度的實驗數(shù)據(jù)[3-4]。EN 1839標準使用Φ80 mm×300 mm的玻璃管作為爆炸容器,由于其直徑較小,管壁會對燃燒過程產(chǎn)生一定的猝熄作用。與EN 1839標準相比,ASTM標準的球形玻璃燒瓶體積較大,點火源與容器壁的距離也較大,更接近于實際燃燒情況。除部分難燃性氣體外,ASTM E681標準規(guī)定使用5 L球形玻璃燒瓶作為爆炸容器,而絕大多數(shù)可燃性液體均比較容易燃燒,因此本文根據(jù)ASTM E1232-07標準,選用5 L球形玻璃燒瓶作為爆炸容器,建立了一套最低可燃溫度測試系統(tǒng),可測試液體及固體純質(zhì)的最低可燃溫度,圖2是實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 最低可燃溫度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測試容器為5 L的硅硼酸鹽球形玻璃燒瓶。將燒瓶置于定制的恒溫箱中,由于測試時需要觀察燒瓶內(nèi)的燃燒過程,因此在恒溫箱的前門面板安裝了由玻璃制作的觀察窗,透過觀察窗可以觀察到整個燒瓶內(nèi)的燃燒情況。玻璃燒瓶口由恒溫箱頂部中心的圓孔伸出,燒瓶蓋采用鋁合金材料制作,在瓶蓋與燒瓶口之間放置了硅橡膠環(huán)形密封圈,使用兩根彈簧實現(xiàn)瓶蓋、瓶口與密封圈的緊密結(jié)合。燒瓶的溫度通過伸入恒溫箱右下部的熱風槍進行控制,可實現(xiàn)的溫度范圍為室溫至200 ℃。熱風槍的前段為加熱芯,加熱芯的內(nèi)部為纏繞在云母片上的鎳鉻加熱絲,加熱芯的最大功率為2 500 W。加熱芯的一端與離心式風機相連,由風機將熱風吹入恒溫箱內(nèi),選用的風機的功率為38 W,風量為0.25 m3/min。熱風槍的熱風溫度控制通過宇電AI-518型溫度控制器自動調(diào)節(jié)加熱芯的功率實現(xiàn)。由于燒瓶的瓶口與瓶蓋均位于恒溫箱外,在加熱時瓶蓋內(nèi)表面與瓶頸處的溫度低于瓶內(nèi)溫度,測量時蒸氣可能會在瓶蓋內(nèi)表面或瓶頸處產(chǎn)生冷凝,導致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差,因此需要對瓶頸和瓶蓋進行加熱。分別使用定制的50、60 W的加熱圈對瓶頸與瓶蓋進行加熱,在兩個加熱圈表面分別布置了1支K分度的熱電偶,由兩臺宇電AI-518型溫度控制器對加熱圈的溫度分別進行控制。

在燒瓶中心與瓶頸根部布置了1支Pt-100鉑電阻溫度計,由Keithley 2700數(shù)字多用表進行讀取。實驗中使用的Pt-100為北京奧維泰公司生產(chǎn)的3850-30型精密鉑電阻溫度計,使用前由標準長桿鉑電阻溫度計進行了標定。實驗系統(tǒng)溫度測量的精度可達±0.01 ℃,由溫度測量的誤差對最低可燃溫度測量帶來的影響完全可以忽略。通過調(diào)節(jié)熱風槍、燒瓶頸部加熱圈及瓶蓋加熱圈的加熱功率,控制兩支溫度計的溫度差不超過0.2 ℃,并將其平均溫度作為最終的測試溫度。為檢驗燒瓶內(nèi)溫度的均勻性,在使用本測試裝置進行實驗測量之前,利用6支鉑電阻溫度計對燒瓶內(nèi)不同位置處的溫度進行了測量,結(jié)果表明燒瓶內(nèi)不同位置處的溫度波動度及溫度差均不超過±0.5 ℃,符合ASTM E1232標準中的溫度要求,因此本實驗裝置可用于最低可燃溫度的精確測量。

可燃蒸氣與空氣混合物的點火采用電火花放電的點火方式,使用輸出電壓為15 kV、最大通過電流為30 mA的變壓器作為點火電源,電火花放電的時間為0.4 s,由兩臺串聯(lián)的時間繼電器對放電時間進行精確控制,時間繼電器的分辨率為0.01 s。點火動作通過按鈕手動進行控制,為防止由于按鈕誤操作所引起的爆炸危險,在電路中還設置了安全按鈕,安全按鈕通常處于斷開狀態(tài),當進行點火時,先按下安全按鈕,然后再通過點火按鈕進行點火。點火電極為直徑1 mm的鎢絲,電極間距為6.4 mm,電極中心位于距瓶底1/3處。電極支撐桿使用直徑為4 mm的不銹鋼桿,電極桿與鋁蓋之間使用聚四氟乙烯進行絕緣和密封。

測試時需要通過磁力攪拌器對被測液體試樣進行攪拌,以增強燒瓶內(nèi)氣、液相的均勻性。磁力攪拌器由可耐高溫的釤鈷磁鐵制作,使用24 V直流電機帶動磁鐵轉(zhuǎn)動,電機的額定轉(zhuǎn)速為400 r/min。燒瓶內(nèi)放置由聚四氟乙烯包裹的磁性攪拌子,測試時由磁力攪拌器轉(zhuǎn)動帶動燒瓶內(nèi)的攪拌子轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)非接觸攪拌功能。

2 實驗方法及實驗系統(tǒng)的檢驗

最低可燃溫度測量所需要的液體試樣用量約為50 mL。每次實驗前,需要對燒瓶與攪拌子進行清洗和烘干,然后倒入被測液體,開啟磁力攪拌器,打開熱風槍將玻璃燒瓶設置到待測的溫度。當燒瓶內(nèi)溫度穩(wěn)定后,關閉磁力攪拌器,靜置30～60 s后進行點火。蒸氣混合物是否可燃根據(jù)目測觀察的方法進行判斷。由于燃燒過程非常短暫,因此在實驗中需要對燃燒過程進行錄像,通過對錄像的逐幀回放來判斷是否可燃,其判斷方法與ASTM E681標準中爆炸極限測量時是否可燃的判斷方法相同,以點火中心處與火焰邊界最大夾角大于90°作為可燃的判據(jù)。若在當前測試溫度下成功點燃,則降低溫度重新進行測量;若未成功點燃,則應升高溫度重新進行測量,重新測試的溫度與當前溫度的差值不超過2.0 ℃。每次成功點燃后,需要重新徹底清洗燒瓶。

當?shù)卮髿鈮簩ψ畹涂扇紲囟葧a(chǎn)生影響,需要將其修正至標準大氣壓下的結(jié)果,修正公式為

TLTL=Tltl+0.25(101.3-p)

(2)

式中:p為當?shù)卮髿鈮?Tltl為當?shù)卮髿鈮合聹y量得到的最低可燃溫度。實驗中大氣壓的測量使用麥克傳感器有限公司的MPM4730型壓力傳感器,滿量程精度為0.1%,由Keithley2700數(shù)字多用表進行采集。根據(jù)式(2),由大氣壓測量不確定度所帶來的最低可燃溫度測量的不確定度為±0.025 ℃,相對于閃點測量的重復性,大氣壓測量帶來的誤差完全可以忽略。

為驗證本系統(tǒng)的可靠性和準確度,對ASTME1232-07標準中給出的兩種標準物質(zhì)丙酸和鄰苯二甲基酸酐的最低可燃溫度進行了測試,其中鄰苯二甲基酸酐在常溫下為固體。表1為測試結(jié)果及標準中給出的實驗值。丙酸的測量結(jié)果為48.7 ℃,鄰苯二甲基酸酐的測量結(jié)果為139.5 ℃,與標準值的偏差分別為0.7 ℃與-0.5 ℃,通過表1可以看出,隨著測量溫度的變化,實驗中所觀測到的燃燒情況具有較好的規(guī)律性,可燃與不可燃的臨界區(qū)域的溫度區(qū)間不超過0.5 ℃,表明了本系統(tǒng)的可靠性。

3 幾種常見可燃液體最低可燃溫度的實驗研究

利用新研制的測量裝置對幾種常見可燃液體的最低可燃溫度進行了實驗研究,表2列出了最低可燃溫度測量的實驗結(jié)果,并將最低可燃溫度與其閃點值進行了比較,表中液體的閃點值由本課題組開發(fā)的平衡杯閃點儀測量得出[6]。由表2中最低可燃溫度與閃點值的差別可以看出,本文所測量的液體的最低可燃溫度均小于其閃點值,其中二甘醇的最低可燃溫度與其閃點值的差別最大。由本文的測量結(jié)果可知,如果僅用閃點作為液體可燃性的判斷指標,有可能會帶來一定的安全隱患。從本文所測量的幾種物質(zhì)的最低可燃溫度與閃點值的差別中未發(fā)現(xiàn)較為明顯的規(guī)律性,因此對于可燃液體的最低可燃溫度,通過實驗測量是目前最為準確的方法。

表1 兩種標準物質(zhì)最低可燃溫度測量的實驗結(jié)果

表2 幾種常見可燃液體的最低可燃溫度 實驗測量結(jié)果

液體TLTL/℃TFP/℃TLTL-TFP/℃乙二醇111.8112.2-0.41,2-丙二醇97.599.5-2.0二甲基亞砜80.280.4-0.2正己醇59.660.4-0.8二甘醇132.0136.0-4.0正庚醇69.872.0-2.2正丁醇33.536.2-2.7

與閃點測量相比,最低可燃溫度的測量過程顯得非常復雜,其測量所耗費的時間也遠大于閃點的測量時間,因此目前還無法用最低可燃溫度對閃點進行完全替代。此外,對于混合物,由于最低可燃溫度測量容器的體積太大,在倒入有限體積的被測液體混合物的情況下,當燒瓶內(nèi)的物質(zhì)達到氣-液相平衡時,燒瓶內(nèi)現(xiàn)存的液體混合物的配比將可能與倒入前的配比發(fā)生較大的變化,另外由于加熱時一部分蒸氣與空氣會從瓶內(nèi)逸出,且逸出的物質(zhì)無法進行定量計算,因此對于可燃性液體混合物,使用本裝置不能準確測量得出其最低可燃溫度。

4 結(jié) 論

根據(jù)ASTME1232-07標準,建立了一套可燃性物質(zhì)最低可燃溫度的實驗測試系統(tǒng),該系統(tǒng)適用于可燃性液體及固體純質(zhì)的實驗研究。使用兩種標準物質(zhì)對實驗系統(tǒng)的可靠性進行了驗證。通過新研制的實驗系統(tǒng)對幾種常見可燃液體的最低可燃溫度進行了實驗研究,并將其與閃點的測量結(jié)果進行了比較,結(jié)果表明閃點測量具有一定的安全局限性。由于最低可燃溫度測量需要耗費大量時間,因此最低可燃溫度還無法完全取代閃點,但從實際安全角度出發(fā),最低可燃溫度是更為科學與可靠的。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 21775—2008 閃點的測定: 閉杯平衡法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[2] American Society of Testing and Materials. ASTM E1232- 07 Standard test method for temperature limit of flammability of chemicals [S]. Philadelphia, USA: ASTM International, 2007.

[3] BRANDES E, MITU M, PAWEL D. The low explosion point: a good measure for explosion prevention: experiment and calculation for pure compounds and some mixtures [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2007, 20(4): 536-540.

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[5] ROWLEY J. Flammability limits, flash points, and their consanguinity-critical analysis, experimental exploration, and prediction [D]. Provo, UT, USA: Brigham Young University, 2010.

[6] 張可, 孟現(xiàn)陽, 郭靜文, 等. 平衡杯閃點儀的研制及二甲基亞砜水溶液閃點的實驗研究 [J]. 工程熱物理學報, 2013, 34(11): 2001-2005. ZHANG Ke, MENG Xianyang, GUO Jingwen, et al. Development of flash point tester based on equilibrium method and flash points of dimethyl sulfoxide aqueous solutions [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(11): 2001-2005.

(編輯 荊樹蓉)

DevelopmentofMeasurementSystemforLowTemperatureLimitofFlammability

ZHANG Ke,MENG Xianyang,YANG Xiaoli,WU Jiangtao

(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Because the lowest explosion temperature of combustible liquids cannot be completely accurately described by flash point, a low temperature limit of flammability measurement system for testing the flammable liquid or solid chemicals is developed following the standard of ASTM E1232-07. The repeatability and accuracy of the apparatus get better than ±0.5 ℃. The reliability of the system is validated by the measurements for acetic acid and phthalic anhydride. Low temperature limits of the flammability of several common flammable liquids are sought out and experimentally compared with their flash points. The maximum deviation between the low temperature limits of flammability and the flash points approaches 4 ℃, which reveals the importance of low temperature limit of flammability for the safety production, transport and operation in the industries relating to flammable compounds.

low temperature limit of flammability; flash point; flammability

10.7652/xjtuxb201405014

2013-11-13。 作者簡介: 張可(1981—),男,博士,工程師;吳江濤(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目: 國家自然科學基金資助項目(51076128);江蘇省自然科學基金資助項目(SBK201122327);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20100201110017);北京市科技計劃重點資助項目(D12110900040000)。

時間: 2014-02-26 網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140226.1159.002.html

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:0253-987X(2014)05-0078-04