可燃气体爆炸极限及惰性气体抑爆实验.docx

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1、实验2可燃气体爆炸极限及惰性气体抑爆实验一、实验背景与目的可燃气体或蒸汽与空气（或氧气）必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限。例如CH4与空气混合的爆炸极限约为5%15%。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限LEL和爆炸上限UELo当可燃气体浓度低于爆炸下限时，不爆炸也不着火；当浓度高于爆炸上限时不会爆炸，但能燃烧。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。因此，获得了可燃气体的爆炸极限数值，则可以通过控制气体浓度的方式实现爆炸的防治。能够影响爆

2、炸极限的主要因素较多。混合系的组分不同，爆炸极限也不同。同一混合系，由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等的都能使爆炸极限发生变化。一般规律是：令 预混气体初始温度升高，则爆炸极限范围增大，即爆炸下限降低、爆炸上限升高。这是因为，温度升高，则分子内能增加，使原来不燃的预混气体混合物变得可燃、可爆。令系统压力增大，爆炸极限范围扩大。这是因为，系统压力增高，使分子间距离更为接近，碰撞几率增高，使爆炸反应更易进行。压力降低，则爆炸极限范围缩小；当压力降至一定值时，其上限与下限重合，此时对应的压力称为混合系的临界压力。压力降至临界压力以下，预混气体混合物便不

3、会爆炸。令 预混气体混合物所含惰性气体量增加，则爆炸极限范围缩小。惰性气体浓度提高到某一数值，混合物不能爆炸，实现爆炸抑制效果。令 容器、管子直径越小，则爆炸范围就越小。当管径（火焰通道）小到一定程度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散出的热量就会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最大管径称为该预混气体混合物的临界直径。令 点火能的强度高、热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大。今除上述因素外，混合气体的均匀程度、混合系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围。本实验将测量可燃气体爆炸极限，并研究惰性介质对可燃气体爆炸

4、极限范围的影响。实验目的如下：(1)掌握可燃气体爆炸极限的基本概念、影响因素及影响规律；(2)掌握可燃气体爆炸极限的测量方法；(3)掌握分压法配置一定浓度预混气体的原理和方法。(4)理解惰性气体对预混气体爆炸的抑制效果。二、实验原理与流程目前关于气体及蒸汽的爆炸极限的测试设备，国内外标准不甚相同。令国标GB/T 12474-2008空气中可燃气体爆炸极限测定方法参考的是ISO 10156: 2010 “Gases and gas mixtures - Determination of fire potentialand oxidizing ability for the selection o

5、f cylinder valve outlets”标准， 规定采用长度1300 mm、内径60 mm的硬质可视玻璃容器开展测试。测试初始条件为常压、温度低于50。 美国 ASTM E 681-09 Standard Test Method for Concentration Limits forFlammability of Chemicals (Vapors and Gases)”规定采用 5 L 的球形可视玻璃容器测试爆炸极限。测试初始条件为常压、温度低于150 C。 欧洲标准 EN 1839r2003,Determination of explosion limits of gases

6、andvapours规定采用体积不低于5L的球形或柱形容器开展测试。测试初始条件为常压、温度低于200。本实验依据国家标准GB/T 12474-2008的规定开展，实验装置流程如图4.1所示，主要有爆炸容器、配气系统、搅拌系统、点火系统、控制及数据采集系统等组成。(1)爆炸容器爆炸容器为高1400 mm50 mm、内径60 mm5 mm的硬质玻璃容器，管壁厚度不小于2 mm。采用玻璃容器便于观察火焰是否传播。（2）配气系统采用分压法配置一定浓度的预混气体。分压法配气的原理为道尔顿分压定律，即某气体组分在混合气体中的浓度比与其分压比相等。根据此原理，若在大气压力101.325 kPa环境下配置可

7、燃气体浓度为。（百分数）的混合气体，首先通过真空泵将爆炸容器抽至完全真空（要求真空度高于99 kPa并能够保压）；然后通过可燃气体进气口，向爆炸容器内充入的可燃气体压力P=C 101.325 kPa；最后通过空气进气口，充入空气至大气压力101.325 kPa。为实现分压法配气功能，爆炸容器外部连接真空泵、压力传感器、可燃气体气瓶、储气罐（或者采样袋，储存低压可燃气体）、干燥器（干燥空气用）、电磁阀等。4.1可燃气体爆炸极限测定流程图(3)搅拌系统混合气体的均匀程度显著影响爆炸上限及爆炸下限数值。因此，预混气体配置完成后，为了使爆炸容器内可燃气体在空气中均匀分布，利用循环泵将混合气体循环至少5

8、 mino(4)点火系统采用高压电极放电点火。放电电极布置在玻璃容器壁面，距离容器底部不小于100 mm,并处于管横截面中心，电极间距为3 mm4 mm。放电电压为10kV,火花持续时间为0.5 s。(5)测量系统普遍采用两种方法判断爆炸是否发生：火焰判据和压力上升判据。火焰判据一般认为火焰向上传播10cm,即认为可燃气体发生爆炸。可以用目视或者摄像设备(如高射摄像)判断是否有火焰传播。压力判据一般认为压力上升5%即为发生爆炸，可以用压力传感器采集压力并判断其压升幅度。因此，在爆炸容器外连接压力传感器、高射摄像仪器。(6)安全措施无论开展何种爆炸实验，必须考虑实验装置的安全性。在本实验流程中，

9、由于采用承压能力较低的玻璃容器作为爆炸容器，因此若无其他措施，可燃气体爆炸后，爆炸超压极容易造成玻璃破碎引发事故。采用如下三种措施实现安全防护： 在容器底部安装通径不小于25mm的泄压阀，在容器内压力远低于玻璃容器破裂压力时即快速打开，形成泄放通道； 爆炸容器安装爆破片。爆破压力的数值稍低于玻璃容器的承压能力； 将玻璃容器置于箱体内。箱体前面板为可视玻璃，具有一定承压能力。箱体后部设置泄放板，保护前面板可视玻璃不会破坏。三、实验设备与材料(1)可燃气体爆炸极限测定装置一台，如图4.2所示。 注意： 即使均依据国标GBT124742008开发的实验装置，不同厂家的装置外形、数据采集原理(单片机、

10、PLC、数据采集卡、通用数据采集设备等)、控制及数据采集操作程序也完全不同。因此，设备型号及操作方法可依据设备说明书，在本文中不做重点说明。本文重点为对应实验流程的实验步骤。(2)高速摄像机一台。(3) CH4气体一瓶、CO2气体一瓶。图4.2本实验所用爆炸极限测试装置四、实验步骤与操作1、实验准备准备CH4气瓶和CO2气瓶；将CH4充入储气罐或者气体采样袋，并接入可燃气体进气口。将CO2充入储气罐或者气体采样袋，并接入第二进气口。关闭装置箱体。打开装置电源，准备实验。2、抽真空打开装置控制程序，开启抽真空电磁阀、真空泵，对装置抽真空，当真空度达到97kPa以上时依次关闭抽真空电磁阀、真空泵。

11、观察装置显示面板上压力传感器测量得到的压力数值，要求压力稳定，能够保压。3、进可燃气体开启可燃气体进气口电磁阀，向容器内充入CH4气体。注意观察显示面板上压力数值，充入可燃气体的量由依据分压法计算得到的压力数值确定。然后关闭进气口电磁阀。4、进空气开启空气进气口电磁阀，向容器内充入空气至大气压力。5、气体循环打开循环泵，使预混气体循环5min。6、点火开启摄像设备，点击“点火”，此时注意观察玻璃容器内是否有火焰。同时，压力传感器采集爆炸容器内压力。7、导出数据将压力传感器测量得到的压力、以及高速摄像拍摄得到的信息导出并保存。8、吹扫容器对装置循环开展抽真空、进空气操作吹扫容器。9、改变浓度开展

12、实验改变CH4浓度配比，重复上述步骤，直至得到CH“Air预混气体分别在爆炸上限与爆炸下限附近的爆与不爆浓度。10、惰性气体抑制实验配气时加入不同浓度的CO2作为惰性气体，重复上述步骤，直至得到CH4Air预混气体分别在爆炸上限与爆炸下限附近的爆与不爆浓度。注意事项：(1)若在实验中发现放电电极周围出现火焰，然后熄灭，这表明爆炸极限在这个浓度附件。在这种情况下，至少重复这个试验5次，有一次出现火焰传播即认为爆炸发生。(2)通过渐进法确定爆炸极限值。测定爆炸下限时，如果在某浓度下未发生爆炸现象，则增大可燃气体浓度直至测得能发生爆炸的最小浓度；如果在某浓度下发生爆炸现象，则减少可燃气体浓度直至测得

13、不能发生爆炸的最大浓度。测量爆炸下限时样品改变量每次不大于上次进料量的10%,测量爆炸上限时样品改变量每次不大于上次进样量的2%o（3）实验结束后要进行强制通风换气。五、实验数据记录与结果处理将每一 CH4浓度下能否发生爆炸的情况填入表4.1o表4.1常温常压下爆炸极限测量实验数据记录表CH4 浓度 mol% 592 是否能够发生爆炸爆爆爆不爆不爆根据实验结果，获得最接近的可爆浓度外和不可爆浓度以，按下式计算爆炸极限值夕：(4.1)二(+i)2在开展含惰性气体实验时，将能否发生爆炸的情况填入表4.2。同样采用式（4.1）计算爆炸极限数值。表4.2充入惰性气体后爆炸极限测量实验数据记录表CO2 浓度 mol%CH4 浓度 mol%是否能够发生爆炸六、思考题（1）影响爆炸极限的因素有哪些？（2）爆炸发生的判定准则有哪些？（3）当混入CO2或N2时，甲烷爆炸极限变化规律？基于此试验结果，如何对甲烷/空气实施惰化技术？（4）需要测量初始压力及初始温度较高时预混可燃气体的爆炸极限。绘制流程图并注明主要零部件。（5）在某地方，空气很潮湿，如何准确测量其爆炸极限?