■ 陳海軍 江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院

可燃?xì)怏w常溫下爆炸極限是安全評價(jià)和爆炸防護(hù)中重要的指標(biāo)，可燃性混合物能夠發(fā)生爆炸的最低濃度和最高濃度，分別為爆炸上限和爆炸下限，當(dāng)可燃?xì)怏w在爆炸極限規(guī)定的范圍，即爆炸上限和爆炸下限之間時(shí)爆炸會發(fā)生，而如果爆炸極限在爆炸范圍之外，即超過爆炸上限或低于爆炸下限時(shí)就不會發(fā)生爆炸?？扇嘉锉O限受溫度的影響規(guī)律一般是：溫度升高，氣體爆炸下限下降，爆炸上限升高。本文只研究爆炸上限模型，通過運(yùn)用溫度對反應(yīng)速度影響的阿累尼烏斯定律，得出適合氣體溫度對爆炸上限影響簡化模型。

一、非常溫烷烴爆炸上限模型研究方法

可燃?xì)怏w爆炸極限受溫度影響一般規(guī)律為溫度升高，爆炸下限降低，爆炸上限升高，爆炸范圍變大，危險(xiǎn)性變大。爆炸上限值的測試和理論計(jì)算修正方法有幾種。

溫度對爆炸上限影響的實(shí)驗(yàn)室測試方法國際上主要有2種測定方法，第一種測試方法美國標(biāo)準(zhǔn)材料試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）E681和E981、Zabetakis和Lees，德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51469、Barknecht和Coward等人對其方法在點(diǎn)火源上進(jìn)行改進(jìn)，該方法與國標(biāo)（GB／T12474）類似，這種方法的特點(diǎn)是通過觀察火焰蔓延速度及燃燒速度判斷是否爆炸；第二種方法是德20L球型實(shí)驗(yàn)裝置，所提供測試方法，該方法判定爆炸的依據(jù)是一次點(diǎn)火壓力升高5%-7%以上；當(dāng)然也有可能改進(jìn)測試儀器使兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。方法一得出的數(shù)據(jù)與燃燒極限接近度很高，事實(shí)上很多時(shí)候人們使用爆炸下限和燃燒下限很統(tǒng)一，同時(shí)方法一得一個(gè)很大的缺點(diǎn)是觀察爆炸式火焰蔓延用肉眼很難分辨。方法二測試結(jié)果得出的壓力曲線很容易判斷是否爆炸。

溫度對爆炸上限測量數(shù)據(jù)處理主要有線性方程擬合、非線性方程擬合，由于物質(zhì)的不同，模型也不同，烷烴類多數(shù)符合非線性模型，而醇類也能很好的符合多元非線性模型。

線性方程擬合、非線性方程擬合兩種方法各有特色，前者比較簡單對于大部分?jǐn)?shù)據(jù)滿足方程，后者方程類型很多，合理的具有一定意義的不多，但是一旦找到，方程往往擬合效果更佳。一般實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都會使用兩種方法處理，這兩種方法是處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本方法。對于烷烴爆炸極限，線性模型適合簡單預(yù)測，其精度不高，卻擬合系數(shù)偏低，而非線性模型相對復(fù)雜一些，模型的擬合系數(shù)較高。但是如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全通過兩種方法尋找擬合模型，存在一個(gè)很大的弊端，得出的模型并無物理意義并且回歸模型很難統(tǒng)一。

故本章先討論爆炸理論和化學(xué)熱反應(yīng)機(jī)理，從中總結(jié)可以使用的簡化模型，并由簡化模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)相關(guān)系數(shù)。

對于氣相反應(yīng)：aA+bB→cC+dD溫度對對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，集中反應(yīng)在反應(yīng)速率常數(shù)K上。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，阿倫尼烏斯1889年提出阿倫尼烏斯定律（Arrhenius'principle）。

溫度對化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)K的影響：

式中E a為活化能。

溫度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響：

由此Francis Stoessel得出溫度對化學(xué)放熱速度的影響：

由上得出溫度對化學(xué)反應(yīng)放熱速度簡化模型q=c*exp（b-a/x）

對于可燃?xì)怏w爆炸上限，我們可以這樣理解，在爆炸時(shí)對應(yīng)化學(xué)的反應(yīng)放熱速度為最小爆炸能對應(yīng)的反應(yīng)速度。故爆炸上限正比于反應(yīng)速度。

此時(shí)對應(yīng)的摩爾濃度為y。故爆炸下限y=v2=cexp（b-a/x）。（其中a，c為正值）

從推導(dǎo)結(jié)果看初始溫度升高，爆炸上限升高，與實(shí)際結(jié)果相符。

二、非常溫烷烴爆炸上限模型推導(dǎo)和論證

本章引用部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對溫度和爆炸上限影響進(jìn)行預(yù)測，將擬合模型簡化為：y=c*exp（b-a/x）：

表1-1 烷烴高溫下爆炸上限測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用簡化模型擬合效果

正庚烷 y=（6.51472）+exp（（4.49551）-（2339.8）/x）0.93675726正庚烷（不包括298 K云霧狀非均相體系數(shù)據(jù)）y=（6.00411）+exp（（1.66616）-（758.177）/x）0.99999520正辛烷 y=（6.04148）+exp（（2.22253）-（1439.76）/x）0.95412134正辛烷（不包括298 K云霧狀非均相體系數(shù)據(jù)）y=（3.04411）+e x p（（1.446）-（105.156）/x）0.99912004正壬烷 數(shù)據(jù)太少 數(shù)據(jù)太少

該數(shù)據(jù)給出烷烴爆炸上限隨不同溫度的影響，整體上為溫度升高爆炸上限上升。

三、結(jié)語

本文運(yùn)用阿倫尼烏斯定律，得出簡化的爆炸上限隨溫度變化的理論模型，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行擬合相關(guān)度比較得出如下結(jié)論：

1.爆炸上限隨溫度變化擬合數(shù)據(jù)中，云霧狀非均相體系的數(shù)據(jù)對模型擬合結(jié)果影響很大，說明物質(zhì)的狀態(tài)對爆炸極限有影響。

2.通過擬合效果，得出該模型有較好的擬合度，可以通過擬合曲線去預(yù)測非實(shí)驗(yàn)條件溫度的其他溫度下的爆炸上限。

3.阿倫尼烏斯定律運(yùn)用的條件是溫度對反應(yīng)的影響符合指定模型，對于一些不是指定模型的物質(zhì)該公式不適用。

4.擬合模型中相關(guān)系數(shù)的物理意義的探討和尋求也是一個(gè)值得研究的內(nèi)容。