馮夢夢，譚迎新，韓　意

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

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N2/CO2混合氣體對丙酮爆炸極限的影響*

馮夢夢1，譚迎新1，韓意2

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

摘要:為了研究N2、CO2及其混合氣體對丙酮爆炸極限的影響，使用爆炸極限測試儀，將氣體按一定比例進行混合，從最佳抑爆濃度和抑爆效果兩個方面進行分析. 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，對丙酮的抑爆效果越好； 不同比例的混合氣體對丙酮爆炸上限和下限的影響可近似認為是線性變化的； 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，丙酮爆炸的危險性降低； 當惰性氣體增加到一定濃度時，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:氮氣； 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，當其濃度達到一定范圍時，遇到火源就會發(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抑爆劑，惰性氣體抑爆劑具有抑爆性能優(yōu)良、來源廣泛、對環(huán)境無污染等特點，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丙酮的爆炸極限的影響，而對混合惰性氣體對丙酮的爆炸極限的影響的研究相對較少[7-8]. 本試驗采用爆炸極限測試儀來研究CO2，N2及混合氣體對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試驗裝置和實驗條件

1.1試驗裝置

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

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

1.2試驗條件

試驗裝置點火能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. 實驗用丙酮濃度99.5%，分析純； 氮氣體積分數(shù)99.9%，二氧化碳體積分數(shù)99.9%.

2試驗內(nèi)容

2.1丙酮爆炸極限的測定

有機可燃氣體爆炸極限的計算公式為

式中：A為1摩爾有機可燃氣體完全燃燒時所需的氧氣系數(shù)即摩爾數(shù)[9]，此時A=4 moL. 丙酮爆炸下限的計算值為2.56%，爆炸上限的計算值為13.61%. 爆炸極限試驗采用逐步逼近法進行測試，即逐步增加(或減少)丙酮的濃度，然后點火試爆(如果沒有發(fā)生爆炸，每次最少點火3次)，直到發(fā)生爆炸.

2.2惰性氣體對丙酮爆炸極限的影響

首先檢查試驗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行丙酮和惰性氣體的配氣[10]. 按照試驗步驟向玻璃容器中分別通入不同體積分數(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. 每次試驗重復3次. 分別通入純N2，體積比為2∶1，1∶1，1∶2的N2/CO2，純CO2. 實驗結(jié)果如圖2 所示.

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

3試驗結(jié)果及分析

圖2為不同比例的N2和CO2混合氣體對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，惰性氣體對丙酮的爆炸有一定程度上的抑制作用. 這是因為在丙酮中加入惰性氣體后，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會，同時也使得混合氣體和氧氣發(fā)生隔離，當活化分子碰撞到惰化氣體分子時會使活化分子失去活化能從而不能發(fā)生反應. 惰性氣體對爆炸上限的影響相對來說較大，爆炸上限有一定程度上的下降，而對爆炸下限影響很小，只是略微上升. 這是因為在爆炸上限附近時，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丙酮的爆炸上限和下限的影響可近似認為是線性變化的. 當惰性氣體增加到一定濃度時，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，說明對相同體積的丙酮進行抑爆需要更多的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，對丙酮的抑爆效果越好.

4結(jié)論

1) N2，CO2對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，爆炸的危險性變??；

3) 不同比例的混合氣體對丙酮爆炸上限和下限的影響可近似認為是線性變化的；

4) N2/CO2混合氣體中CO2的含量越高，對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，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.

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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:1671-7449(2016)04-0365-04

收稿日期：2016-04-10

基金項目：山西省重點科技計劃資助項目(2006年)

作者簡介：馮夢夢(1989-)，女，碩士生，主要從事危險化學品的防火與防爆研究.

中圖分類號:X932

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.014