环氧丙烷爆炸压力实验报告

环氧丙烷爆炸压力实验报告（共2篇）

环氧丙烷爆炸压力实验报告 篇1

环氧丙烷蒸汽爆炸压力及其

上升速率的研究

姓名：李鹏亮

单位：北京理工大学

【摘要】：为了更加深刻地了解可燃性气体的爆炸特性和过程，我们采用5L的爆炸罐进行实验，利用传感器与示波器直接将爆炸过程反映到计算机屏幕上，可以直截了当地得到可燃性气体的爆炸压力与爆炸压力上升速率。本次实验以环氧丙烷为研究对象，测试其爆炸过程中的最大爆炸压力以及爆炸压力上升速率。

【关键词】：环氧丙烷；爆炸压力；爆炸压力上升速率

1、引言：可燃性气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一。〔1〕 1857 年英国发生城市煤气管道爆炸以来，许多学者就开始了对气体爆炸的研究工作。20 世纪70 年代以后，随着石油化工和煤炭行业的蓬勃发展，大批贮气设施的建设和各大煤矿的开采，气、油罐和瓦斯爆炸事故的频繁发生，引起了世界各国的广泛关注。由于各国对气体爆炸的研究日益重视，检测技术与自动化程度的日益提高，使得爆炸研究的深度和广度也逐步增加，研究内容涉及的范围也日益扩大，取得了较高水平的研究成果。

2、实验方法：

1、实验装置

` 〔3〕测试系统由5L的圆柱状爆炸罐、配气系统（在此次实验中是用手直接将液态环氧丙烷倒入爆炸罐中）、控制系统（包括温度、压力和点火控制）和爆炸参数测定系统（本次实验用的是压电式压力传感器）组成。

2、试验条件

实验温度：41.5～44.4℃；实验室空气湿度：77 %；实验压强：常压。

3、实验步骤

1．准备

检查各管线是否完好，打开检测仪表、数据采集及点火控制系统，查看是否出于正常工作状态。2．装点火头

打开爆炸反应容器上盖，在点火电极上装一只点火头，调整点火头到最佳位置，盖上容器上盖，拧紧螺栓。3．查漏

〔2〕 打开与精密数字压力计相连的阀门，其他阀门均关闭，将爆炸反应罐抽真空不大于668Pa 的真空度，然后关闭真空泵及阀门。经5 min 后，压力计下降不大于267Pa，则说明气密性良好。否则进一步查漏并除漏，直到确认气密性符合上述要求为止。4．排空

打开与空气压缩机相连的阀和排气阀门，关闭其他阀门，启动空气压缩机将爆炸反应罐内气体置换为清洁空气。5．配气

这个过程需两个同学配合进行。由于环氧丙烷在常温常压下极易挥发，所以这个过程中必须用玻璃片盖着装环氧丙烷的试管，待一个同学将1.7mL环氧丙烷液体倒入爆炸罐后，另一个同学迅速将阀门拧上，然后加热3分钟左右，是爆炸罐内的温度达到环氧丙烷的沸点35度以上，使其完全挥发成气体。6．静置气体的形成

关闭爆炸反应罐内所有接口阀门和配气钢瓶阀门，待气体静置5 分钟，此时，爆炸反应罐内气体为静置气体。7．点火及数据采集

待气体混合均匀后接好电极，按下开关点火，同时压力传感器采集爆炸过程中的压力数据。这些数据经采集，在计算机上输出压力图形，显示最大压力上升速率，并可记录压力上升时间。8．清理反应罐

爆炸结束后，打开排气阀门，然后打开空气压缩机及相应阀门，用空气将爆炸产物置换掉，然后打开爆炸罐，将点火后的点火头取下。9．记录数据

将测得的数据记录在实验数据表中。再次重复1～5的操作。

3、实验结果

实验所得P-t曲线：

1-1第一次实验所得a处P-t曲线

1-2第一次实验所得b处P-t曲线

2-1第二次实验所得a处P-t曲线

2-2第二次所得b处P-t曲线

3-1第三次所得a处P-t曲线

3-2第三次所得b处P-t曲线

显然第三次实验出现了较大的偏差，在打开爆炸罐后冒出大量的黑烟，原因可能是没有密封完全，导致没有完全爆炸。

计算可得l.6mL的液体环氧丙烷在5L的爆炸罐内完全挥发后的浓度为16.7%，从上面的P-t曲线可得到16.7%的环氧丙烷最大爆炸压力为0.358Mpa，最大爆炸压力上升速率为40Mpa/s。

4、结论

为研究可燃性气体的爆炸特性，本实验采用5L圆柱型气体爆炸反应系统开展实验工作，选取了重要的可燃性气体环氧丙烷，对其爆炸特性进行了实验测定，本实验数据均在外界条件（点火能、容器扩展性、点火位置、容器避免性质等）相对固定、常温常压的5L圆柱型气体爆炸反应器中获得，得出以下主要结论：

可燃性气体、蒸汽的爆炸是一个非常剧烈的过程，并且会产生强大的冲击波，在爆炸罐的不同部位受到的冲击差异也比较大。在以后实验的过程中，对蒸汽类爆炸物一定要做到完全挥发，混合均匀。

5、参考文献

1.沈正祥 可燃液体蒸气的爆炸特性及其抑制研究[学位论文]2008 2.谭迎新.可燃气体爆炸特性试验装置的电气控制设计与制作[ D].太原: 华北工学院, 1987 3.赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京: 北京理工大学

环氧丙烷爆炸压力实验报告 篇2

油气爆炸事故[1,2]多发生在狭长受限空间中,如引洞、洞库上下坑道、支坑道、管路系统等,受限空间有利于油气爆炸加速发展,将影响最终的爆炸形态和破坏力。特别是在洞库中,呼吸管路系统[3]有的长达数千米,一旦发生爆炸,将很有可能发展成为爆轰,造成难以估量的损失。所以开展针对狭长受限空间油气爆炸抑制研究显得尤为重要。

目前国内外关于可燃气体爆炸抑制的研究涉及甲烷[4,5,6]、氢气[6,7]、乙烯[8]等,但这些单分子可燃气体介质实验成果不能完全揭示油气这种多组分气体爆炸规律,针对油气爆炸抑制的实验研究抑爆介质采用干粉[9]、细水雾[10]、冷气溶胶[11,12,13]等,取得了较好的效果,但是部分实验[9,13]是在密闭容器中进行的,难以揭示抑爆介质对油气爆炸火焰传播的影响规律,并且在油气储运过程中狭长受限空间爆炸抑制往往需要清洁、无污染的抑爆介质,干粉、细水雾和冷气溶胶虽然抑爆效果良好,但不适用于油气储运工程狭长受限空间中,因此气态抑爆介质是更好的选择。张培理[14]利用氮气开展了油气爆炸抑制实验,取得一定的成果,但是氮气作为抑爆介质,仅是通过物理方法进行抑爆,而七氟丙烷作为新型灭火剂已在消防领域得到广泛推广[15],其灭火原理主要通过化学方法。同时,上述研究均是预先将抑爆介质与可燃气体混合[10,13]或者用薄膜隔开[14],抑或采用被动式抑爆[9,11,12]的方法,重点针对抑爆机理进行研究,而对实际工况考虑较少。本文采用主动式抑爆装置对大尺度狭长受限空间油气爆炸进行抑制,研究了七氟丙烷的抑爆效果,为工业实际安全需要提供理论和技术支持。

1 七氟丙烷抑爆原理

七氟丙烷抑爆原理包括物理方法和化学方法。液态七氟丙烷被抑爆装置喷入管道后会迅速汽化,体积急剧膨胀,大幅降低油气和氧气的浓度,起到稀释作用,使油气组分同氧隔离,减少了油气分子和氧分子作用的机会;根据分子碰撞理论,大量七氟丙烷的存在也使活化分子很容易与其发生碰撞,一旦发生碰撞,活化分子就会因为丧失活化能而不能进行反应,从而使反应链的数目减少,起到抑制油气爆炸燃烧反应的发生和进行;而大量液态七氟丙烷汽化会吸收大量的热量,使燃烧反应温度急剧降低,降低燃烧反应活性,从而达到抑制爆炸的效果。

虽然七氟丙烷具有稀释和降温的作用,但是其主要通过化学方法达到抑制爆炸的目的。七氟丙烷通过热解产生含氟的自由基,并与燃烧反应过程中产生链反应的O·、H·、OH·等活性自由基发生化学反应,从而中断燃烧过程中化学链反应的传递,抑制燃烧反应的进行。

国外学者[16]通过实验发现七氟丙烷在CH4-O2体系中主要的初级反应是热分解,即:

而不是H原子的抽提反应。

而Hynes等[17]研究了1.5mol%的七氟丙烷对H2-C2H6-Air预混平流火焰的熄灭作用,发现H·、O·、CH3·、OH·等自由基扩散到了一个更大的区域,并且最大浓度出现的位置也向外部移动,说明七氟丙烷产生了灭火作用。通过计算发现,七氟丙烷的存在使H的浓度下降了25%,O·的浓度下降了10%,而OH·的浓度则有轻微上升。他还进行了反应通量的分析,结果发现H·与CFO、CF3和CF2的反应:

对灭火的贡献最大。O·与CFO、CF3和CF2的反应:

对灭火的贡献次之。而CH3·和OH·的消耗对灭火的贡献不大。

通过数值模拟1.0和3.2 mol%的七氟丙烷对H2-Air预混平流火焰的影响[18],他发现当七氟丙烷的浓度为1.0和3.2 mol%时,H·浓度的消耗值分别为18.6%和37.0%,而在浓度为3.2 mol%时,OH·浓度的消耗值仅为1.0%,因此认为H·主要与氟化物发生反应产生HF和其他不活泼的自由基或分子达到中断链式反应的目的,而OH·与氟化物的反应对抑制作用影响较小。

2 实验系统和方案

2.1 实验系统

实验系统如图1所示。实验台架由三段内径450 mm的长直钢制管道用法兰连接而成,每段长7.1 m,共21.3m,壁厚15 mm,耐压6 MPa。每段管道一侧有5个螺纹孔,可以安装压力传感器、火焰速度传感器和火焰强度传感器,另一侧有2个观察窗,用来观察火焰形态和传播情况,或者安装抑爆装置。压力传感器采用ZXP610型压阻式压力传感器,测试量程为5 MPa,数据采集系统为TST6300动态测试分析仪,采集分析软件为DAP7.10。火焰传感器基于红外火焰探测系统,火焰强度传感器为笔者单位自行研制,能够采集火焰照射强度并将其转化为电压信号,可用来测试火焰强度。火焰速度采用火焰速度传感器进行采集,在传感器之间距离已知的情况下,通过测试相邻两个传感器之间火焰经过的时间,可以计算得到相邻两个传感器之间的平均火焰传播速度。采用智能点火系统,点火位置在右侧法兰端盖中心。

采用主动式抑爆装置,从点火端起第一个观察窗位置安装抑爆装置的火焰传感器,第四个观察窗位置安装抑爆装置。压力传感器、火焰传感器以及抑爆装置安装位置已在图1中进行了标注。

2.2 抑爆装置

抑爆装置包括火焰传感器、控制器、抑爆器,抑爆介质采用七氟丙烷。当火焰传感器感受到爆炸火焰信号后,将信号快速传递给控制器,此时如果压力表显示储气瓶压力在正常范围内,控制器将对信号进行处理,发出动作信号给电子触发器,电子触发器接到动作信号后打开使抑爆介质喷射出来,达到抑爆的目的,整个过程在10 ms左右,完全可以在火焰到达之前使抑爆介质完全喷出,工作原理如图2所示,抑爆器示意图如图3所示。

Ai-压力传感器;Bi-火焰速度传感器;Ci-火焰强度传感器

1-高压储气瓶;2-电子触发器;3-引线;4-喷嘴;5-连接法兰;6-保护罩;7-压力表;8-铭牌

2.3 实验方案

在已有的大尺度狭长受限空间油气爆炸实验[19]中,爆炸超压值、升压速率、火焰传播速度最大的油气体积分数在1.5%~1.7%之间,实验时利用HC红外分析仪测得油气体积分数为1.62%,点火能量为1.5 J,3个火焰传感器之间的距离为2.96和2.8 m。抑爆介质采用3、4、5 kg七氟丙烷,液化后充入储气瓶中,分别进行抑爆实验,每组实验均进行5次,保证实验的可重复性。

首先连接好抑爆装置线路,检测可行性,然后向油气雾化装置内倒入一定量的汽油,使用2X-8旋片式真空泵在雾化装置内形成真空,将汽油雾化喷入管道,利用循环管路系统循环约1 h,然后使用油气体积分数检测系统在管道的两端和中部分别测量油气体积分数。如果3点油气体积分数差小于0.3%,则可认为管道内各处油气混合均匀。关闭循环管路进出口球阀,利用点火系统进行点火,通过测试系统对特性参数进行采集。

3 实验结果与讨论

3.1 七氟丙烷对爆炸压力的影响

喷入4 kg七氟丙烷时各测点爆炸超压值变化曲线如图4所示。

图4中,1、5、6号压力传感器所测爆炸超压值变化趋势相同,先迅速增大,再逐渐减小,而2、3、4号压力传感器所测爆炸超压值变化趋势则不同,先迅速增大,再迅速降低,甚至有的降到负值,再逐渐上升,称2、3、4号压力传感器之间的空间为抑爆空间。

当点火系统点火后,油气迅速被点燃发生爆炸,产生爆炸波,狭长受限空间中压力迅速上升,此时抑爆装置的火焰传感器感受到火焰信号,使抑爆器喷射七氟丙烷,在2~4号压力传感器之间形成一个抑爆空间。由于爆炸波在火焰锋面前方,所以爆炸波在七氟丙烷喷射之前就已经到达抑爆空间,并在受限空间中反复振荡使得压力持续上升。当七氟丙烷喷射到抑爆空间时,由于液态七氟丙烷汽化吸收大量的热量,使得抑爆空间中温度骤然降低,因此爆炸超压值迅速下降,甚至出现负值。但随后超压值逐渐上升,最终趋于一个较高的水平,原因如下:油气为多碳烃类化合物,爆炸燃烧后产生大量气态二氧化碳和水蒸汽,使压力上升;抑爆空间之前已经发生爆炸燃烧反应产生的热量将会传递到抑爆空间中,使抑爆空间温度上升;七氟丙烷汽化后体积迅速膨胀,所以抑爆空间中压力会逐渐增大,最终趋于一个较高的水平。1、5、6号压力传感器的爆炸超压值变化趋势正常说明抑爆空间超压值变化趋势异常的原因是七氟丙烷的热效应引起的。

虽然4号压力传感器距离抑爆器最近,但是2、3号压力传感器所测超压值降幅较大,原因在于抑爆器喷射七氟丙烷时有一定的压力,将七氟丙烷喷出一定的距离,所以在2、3号传感器附近七氟丙烷浓度较高,从而超压值降幅较大。

图5为1号压力传感器不同工况下爆炸超压值变化曲线,当没有喷入七氟丙烷时,爆炸最大超压值达到326.77 k Pa,而喷入3、4、5 kg七氟丙烷后,爆炸超压值分别为215.49、160.83、144.2 k Pa,下降了34.05%,50.78%,55.87%。可以看出,当喷入七氟丙烷后,爆炸超压值大大降低,并且喷入七氟丙烷质量越大,爆炸超压峰值越小,抑制作用越明显。

3.2 七氟丙烷对火焰传播速度的影响

从图6可以看出,无抑爆介质条件下,最大平均火焰传播速度达到92.5m/s,当3、4、5 kg七氟丙烷后,最大平均火焰传播速度分别为25.76、18.62和9.96 m/s,下降了72.15%,79.87%和89.23%,可见七氟丙烷对于火焰传播速度有明显的抑制作用,并且喷射质量越大,抑制作用越显著。

3.3 七氟丙烷对火焰强度的影响

抑爆器前后各安装有一个火焰强度传感器,用来测试抑爆器前后火焰强度大小,探究抑爆器的抑爆效果,不同工况下2个火焰强度传感器测试信号变化如图7所示。

由图7(a)可以看出,在无七氟丙烷工况下,抑爆器前后火焰强度峰值在1 200~1 300 m V之间,抑爆器前火焰持续时间为1.25 s,抑爆器后为1.43 s,火焰持续时间增长说明火焰长度更长,油气爆炸燃烧更剧烈;图7(b)中,抑爆器前后火焰强度峰值变化不大,在1 300m V左右,但抑爆器前火焰持续时间为0.76 s,抑爆器后为0.38 s,虽然火焰持续时间有所缩短,但是火焰强度基本没有降低,所以抑爆不成功;图7(c)中,抑爆器前火焰强度峰值为935.45 m V,抑爆器后火焰强度峰值明显降低,为140.70 m V,抑爆器前火焰持续时间为0.13s,抑爆器后为0.03 s;图7(d)中,抑爆器前火焰强度降到774.77 m V,火焰持续时间为0.16 s,而抑爆器后没有探测到火焰信号,说明油气爆炸已被完全抑制,火焰已被扑灭。

同时,在没有喷入七氟丙烷情况下,火焰从1号火焰强度传感器到2号火焰强度传感器经历了0.17 s,在喷入3和4 kg七氟丙烷后,传播时间分别延长到0.27和0.29 s,5 kg七氟丙烷工况下火焰没有传播到2号传感器。说明七氟丙烷有效抑制了爆炸燃烧反应的进行,延缓了火焰的向前传播,喷射质量越大,抑制作用越明显。

4 结论

1)通过向狭长管道内喷射七氟丙烷,抑爆器前形成抑爆空间,通过与进入该空间的火焰反应达到了化学抑爆的目的,使爆炸超压值、火焰传播速度明显减小。

2)抑爆介质的喷入有效减弱了火焰强度,缩短了火焰持续时间,对油气爆炸抑制起到重要作用。

3)实验数据说明,喷射七氟丙烷质量越大,抑爆效果越好,当喷射质量达到5 kg时,火焰被完全熄灭。

摘要：为研究七氟丙烷对油气爆炸的抑制作用,研制了主动式油气爆炸抑制装置,搭建了狭长受限空间油气爆炸抑制实验系统,进行了油气爆炸抑制实验,并与无抑爆介质条件进行了对比,分析了爆炸超压值、火焰传播速度和火焰强度等特性参数变化情况。实验结果表明:当以3、4和5 kg七氟丙烷作为抑爆介质时,最大超压值分别下降34.05%、50.78%和55.87%,平均火焰传播速度分别下降72.15%、79.87%和89.23%,火焰持续时间明显缩短,火焰强度减弱;随着七氟丙烷质量的增加,抑爆效果越显著。