張小良，李 浩，楊璐穎，匡亞南

((上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,上海 201418)

苯、甲苯、二甲苯作為VOC中的常見成分，在VOC廢氣處理技術(shù)中利用高壓等離體放電技術(shù)[1-2]對(duì)VOC進(jìn)行處理，但在放電過程中極易引發(fā)VOC爆炸，所以了解這三種物質(zhì)的爆炸極限十分有必要，雖其在常溫條件下的爆炸極限已有廣泛的研究[3]苯的爆炸極限為1.2%～8.0%、甲苯的爆炸極限為1.2%～7.1%、二甲苯的爆炸極限為1.1%～7.0%，劉振翼等人[4]利用可燃?xì)怏w(蒸氣)爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了原油蒸汽在不同溫度下的爆炸極限、臨界氧含量并進(jìn)行了理論估算。譚迎新等人[5]對(duì)可燃?xì)怏w(或蒸汽)爆炸特性參數(shù)的測定方法進(jìn)行了研究，(研究了測定方法)測出來幾種可燃?xì)怏w(或蒸汽)與空氣混合物混合爆炸的爆炸極限，但其只測試了在常溫條件下的爆炸極限，在VOC排放的高溫溫度條件下和三者的混合物在高溫條件下的爆炸極限研究相對(duì)較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際需要。因此，本文對(duì)苯、甲苯、二甲苯及其混合物在高溫條件下的爆炸極限進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與原理

本實(shí)驗(yàn)利用筆者實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行,目的是為了確定160 ℃條件下苯、甲苯、二甲苯的爆炸上限。當(dāng)可燃性氣體、蒸氣或可燃性粉塵與空氣(或氧)在一定濃度范圍內(nèi)均勻混合時(shí),遇到火源發(fā)生爆炸的濃度范圍稱為爆炸濃度極限,簡稱為爆炸極限(包括爆炸下限和爆炸上限)[6]。

1.1 爆炸極限實(shí)驗(yàn)測試裝置

本文所用的爆炸極限測試系統(tǒng)為可燃性氣體爆炸參數(shù)測試裝置[7]，由爆炸腔體、加熱系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)七大部分組成。如圖1所示。

點(diǎn)火系統(tǒng)用采用高壓放電點(diǎn)火，作用是對(duì)爆炸腔體內(nèi)的可燃性氣體進(jìn)行點(diǎn)火；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是高頻爆炸壓力采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡位于爆炸腔體赤道處壓電傳感器探測的應(yīng)變信號(hào)，并繪制爆炸壓力-時(shí)間曲線，獲得最大爆炸壓力Pmax和最大升壓速率(dp/dt)max等爆炸猛烈度指標(biāo)。

1-高壓氣瓶；21、22、23、24、25-卡套球閥；31、32、33、34-高壓針閥；4-方向控制閥；5-不銹鋼波紋管；6-真空泵；7-壓力傳感器；8-加熱帶；9-點(diǎn)火電極；10-爆炸腔體；12-數(shù)據(jù)采集控制器；13-真空表；14-數(shù)字壓力表；15-溫度熱電偶

圖1 爆炸極限實(shí)驗(yàn)測試裝置

1.2 設(shè)備加熱和液體蒸汽的制備

爆炸容器的加熱方式為電加熱帶加熱，同時(shí)使用溫控器控制固態(tài)繼電器來調(diào)節(jié)加熱帶加熱量，從而控制加熱溫度。在電加熱帶的外部纏繞保溫棉以保證溫度的溫度和均勻。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備標(biāo)定

對(duì)此實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，利用純度為99.99%的甲烷作為標(biāo)定用測試對(duì)象，多次實(shí)驗(yàn)測得甲烷在當(dāng)量比為1時(shí)的爆炸壓力平均值為1.3MPa。查得文獻(xiàn)知其爆炸壓力為0.78MPa。以此數(shù)據(jù)來標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)備，修正實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來的誤差。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

實(shí)驗(yàn)測試時(shí)按照分壓法配制混合氣體。由于苯、甲苯、二甲苯在常溫下為液體，所以在測試中首先需要將爆炸測試腔體加熱到測試溫度，再按照飽和蒸氣壓定律向腔體內(nèi)注入一定體積的液體，使其完全蒸發(fā)后達(dá)到測試所需壓力。點(diǎn)火后觀察20L爆炸測試軟件的爆炸測試曲線來判斷是否發(fā)生爆炸，三次未發(fā)生爆炸則認(rèn)為該濃度下液體蒸汽不可爆，通過改變測試濃度來確定爆炸上限。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

對(duì)可燃性液體蒸汽在高溫條件下進(jìn)行爆炸極限測試時(shí)，需要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟：

(1)首先是利用加熱帶將爆炸腔體加熱到實(shí)驗(yàn)所需溫度160℃；待溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后，隨后利用抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。

(2)再通過爆炸腔體一側(cè)的高壓針閥注入一定體積的液體；等待數(shù)分鐘至液體蒸發(fā)完全成氣體。

(3)通入N2/O2的配比為79∶ 21的模擬空氣至爆炸腔體內(nèi)壓力穩(wěn)定到一個(gè)大氣壓；待數(shù)分鐘至蒸汽氣體與空氣混合均勻后可進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。

(4)實(shí)驗(yàn)測量完成后利用高壓空氣對(duì)爆炸腔體進(jìn)行吹吸處理清理廢氣。

2 結(jié)果和討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在101325 Pa、160℃時(shí)苯、甲苯、二甲苯及三者按1∶ 1∶ 1比例混合的液體蒸汽的爆炸上限。測定結(jié)果見表1～表4。其中“√”表示發(fā)生爆炸，“×”表示未發(fā)生爆炸。

表1 160℃時(shí)苯爆炸上限測試記錄

表2 160℃時(shí)甲苯爆炸上限測試記錄

表3 160℃時(shí)二甲苯爆炸上限測試記錄

表4 160℃時(shí)混合蒸汽爆炸上限測試記錄

圖2 初始溫度為160℃時(shí)苯蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數(shù)

圖3 初始溫度為160℃時(shí)甲苯蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數(shù)

圖4 初始溫度為160℃時(shí)二甲苯蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數(shù)

圖5 初始溫度為160℃時(shí)苯、甲苯、二甲苯按1∶ 1∶ 1 比例混合后蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.2.1 溫度對(duì)爆炸上限的影響

爆炸極限范圍隨溫度的升高而變寬[8]，可用下式(2-1)和(2-2)計(jì)算氣體的爆炸極限：

(2-1)

(2-2)

式中：Hc——燃燒時(shí)的純熱量，KJ/mol；

T——溫度 ，℃；

yL(25)——25℃時(shí)的爆炸下限；

yU(25)——25℃時(shí)的爆炸上限；

yL(T)——某一溫度T下的爆炸下限；

yU(T)——某一溫度T下的爆炸上限。

由資料可知，苯的燃燒熱為3267.5 kJ·mol-1，甲苯的燃燒熱為4740.5 kJ·mol-1，二甲苯的燃燒熱為4343 kJ·mol-1。

由式2-2計(jì)算可知在160℃條件下，苯的理論爆炸上限值為18%，甲苯的爆炸上限值為14.8%，二甲苯的爆炸上限值為15%。由圖2～圖5可知，在160℃條件下實(shí)驗(yàn)測試條件下，苯的爆炸上限為15.5%，甲苯的爆炸上限為20%，二甲苯的爆炸上限為20%。實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值相對(duì)比仍有一定的差距，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備容積較小，在配制相應(yīng)濃度的蒸汽時(shí)所需液體體積較小，采用注射器注射加注的方式實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較大。

2.2.2 溫度對(duì)混合物爆炸上限的影響

在常溫條件苯的爆炸上限為8%，甲苯的爆炸上限為7.1%，二甲苯的爆炸上限為7.0%。

常溫條件下苯、甲苯、二甲苯按照1∶ 1∶ 1配比的混合蒸汽爆炸上限為：

可根據(jù)理-查德里[1，7，8](Le Chatelier)法則[9]進(jìn)行混合氣爆炸極限的計(jì)算。

(式1-6)

式中：Lm為爆炸上限或者爆炸下限；

yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)；

Lmi組分i的爆炸上限或者下限。

按照上式對(duì)常溫下混合氣的爆炸上限進(jìn)行計(jì)算，混合氣爆炸上限計(jì)算結(jié)果為7.34%。由圖2、表4可知，在160℃條件下，苯、甲苯、二甲苯按照1∶ 1∶ 1配比的混合蒸汽爆炸上限為15.5%。隨著溫度升高，三者及其混合物的爆炸上限升高，爆炸危險(xiǎn)性增大。

溫度升高使苯、甲苯、二甲苯液體蒸汽的爆炸上限相應(yīng)的升高，這是因?yàn)殡m然爆炸上限附近氧氣含量不充分，但是由于溫度升高使得蒸汽分子的活化能增大[10]，使更多的氣體分子處于激發(fā)狀態(tài)，分子運(yùn)動(dòng)劇烈，分子間距變小，活化分子碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)更加容易進(jìn)行，所以需要的氧減少，于是燃燒爆炸反應(yīng)更加容易進(jìn)行，爆炸上限升高，液體蒸汽發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性增大。

2.2.3 爆炸壓力和爆炸指數(shù)

由圖2至圖5可以看出。苯、甲苯、二甲苯在不同濃度條件下的爆炸壓力隨著蒸汽濃度含量的升高大致呈現(xiàn)出先升高后降低的現(xiàn)象。這是由于在爆炸上限附件雖然蒸汽濃度較高，但氧氣含量不足。蒸汽爆炸指數(shù)與爆炸壓力的變化規(guī)律一致，爆炸壓力升高則爆炸指數(shù)也隨之升高，且可燃液體蒸汽的爆炸指數(shù)相對(duì)較高，爆炸危險(xiǎn)性高。

3 結(jié)論

(1)隨著溫度上升，可燃性液體蒸汽的爆炸上限隨之升高。爆炸危險(xiǎn)性升高。

(2)由公式理論計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓160℃條件下苯的爆炸上限18%，甲苯的爆炸上限14.8%，二甲苯的爆炸上限15%。實(shí)驗(yàn)測得了在160℃條件下苯的爆炸上限為15%，甲苯的爆炸上限為20%，二甲苯的爆炸上限為20%。與常溫下三者的爆炸上限相比，高溫狀態(tài)下爆炸上限三者皆升高。

(3)常溫條件下，按照理論公式推算三者混合蒸汽的爆炸上限為7.34%，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，測得了在160℃條件下苯、甲苯、二甲苯三者按1∶ 1∶ 1比例混合的液體蒸汽爆炸上限為15.5%。

(4)由于實(shí)驗(yàn)裝置仍有一些不足之處，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)值與理論計(jì)算值之間仍然存在一定的差距。