苯、甲苯、二甲苯液體蒸汽在160℃條件下的爆炸上限研究

張小良，李 浩，楊璐穎，匡亞南

((上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院,上海 201418)

苯、甲苯、二甲苯作為VOC中的常見成分，在VOC廢氣處理技術中利用高壓等離體放電技術[1-2]對VOC進行處理，但在放電過程中極易引發VOC爆炸，所以了解這三種物質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]利用可燃氣體(蒸氣)爆炸實驗系統研究了原油蒸汽在不同溫度下的爆炸極限、臨界氧含量并進行了理論估算。譚迎新等人[5]對可燃氣體(或蒸汽)爆炸特性參數的測定方法進行了研究，(研究了測定方法)測出來幾種可燃氣體(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較少，遠遠不能滿足工業應用的實際需要。因此，本文對苯、甲苯、二甲苯及其混合物在高溫條件下的爆炸極限進行了研究。

1 實驗設計與原理

本實驗利用筆者實驗室自主設計的實驗裝置進行,目的是為了確定160 ℃條件下苯、甲苯、二甲苯的爆炸上限。當可燃性氣體、蒸氣或可燃性粉塵與空氣(或氧)在一定濃度范圍內均勻混合時,遇到火源發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 爆炸極限實驗測試裝置

本文所用的爆炸極限測試系統為可燃性氣體爆炸參數測試裝置[7]，由爆炸腔體、加熱系統、抽真空系統、點火系統、供氣系統、數據采集系統七大部分組成。如圖1所示。

點火系統用采用高壓放電點火，作用是對爆炸腔體內的可燃性氣體進行點火；數據采集系統采用的是高頻爆炸壓力采集系統，數據采集系統通過數據采集卡位于爆炸腔體赤道處壓電傳感器探測的應變信號，并繪制爆炸壓力-時間曲線，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。

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-點火電極；10-爆炸腔體；12-數據采集控制器；13-真空表；14-數字壓力表；15-溫度熱電偶

圖1 爆炸極限實驗測試裝置

1.2 設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，同時使用溫控器控制固態繼電器來調節加熱帶加熱量，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 實驗設備標定

對此實驗裝置的可靠性和準確度進行驗證，利用純度為99.99%的甲烷作為標定用測試對象，多次實驗測得甲烷在當量比為1時的爆炸壓力平均值為1.3MPa。查得文獻知其爆炸壓力為0.78MPa。以此數據來標定實驗設備，修正實驗設備帶來的誤差。

1.4 實驗方法和步驟

實驗測試時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注入一定體積的液體，使其完全蒸發后達到測試所需壓力。點火后觀察20L爆炸測試軟件的爆炸測試曲線來判斷是否發生爆炸，三次未發生爆炸則認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。具體實驗步驟如下:

對可燃性液體蒸汽在高溫條件下進行爆炸極限測試時，需要進行以下幾個步驟：

(1)首先是利用加熱帶將爆炸腔體加熱到實驗所需溫度160℃；待溫度穩定一段時間后，隨后利用抽真空系統進行抽真空。

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

(3)通入N2/O2的配比為79∶ 21的模擬空氣至爆炸腔體內壓力穩定到一個大氣壓；待數分鐘至蒸汽氣體與空氣混合均勻后可進行點火實驗。

(4)實驗測量完成后利用高壓空氣對爆炸腔體進行吹吸處理清理廢氣。

2 結果和討論

2.1 實驗結果

在101325 Pa、160℃時苯、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。測定結果見表1～表4。其中“√”表示發生爆炸，“×”表示未發生爆炸。

表1 160℃時苯爆炸上限測試記錄

表2 160℃時甲苯爆炸上限測試記錄

表3 160℃時二甲苯爆炸上限測試記錄

表4 160℃時混合蒸汽爆炸上限測試記錄

圖2 初始溫度為160℃時苯蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數

圖3 初始溫度為160℃時甲苯蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數

圖4 初始溫度為160℃時二甲苯蒸汽的爆炸壓力和爆炸指數

圖5 初始溫度為160℃時苯、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

2.2 實驗結果討論

2.2.1 溫度對爆炸上限的影響

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)計算氣體的爆炸極限：

(2-1)

(2-2)

式中：Hc——燃燒時的純熱量，KJ/mol；

T——溫度 ，℃；

yL(25)——25℃時的爆炸下限；

yU(25)——25℃時的爆炸上限；

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℃條件下實驗測試條件下，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%。實驗值與理論計算值相對比仍有一定的差距，這是因為實驗設備容積較小，在配制相應濃度的蒸汽時所需液體體積較小，采用注射器注射加注的方式實驗誤差相對較大。

2.2.2 溫度對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：

可根據理-查德里[1，7，8](Le Chatelier)法則[9]進行混合氣爆炸極限的計算。

(式1-6)

式中：Lm為爆炸上限或者爆炸下限；

yi為組分i的摩爾分數或體積分數；

Lmi組分i的爆炸上限或者下限。

按照上式對常溫下混合氣的爆炸上限進行計算，混合氣爆炸上限計算結果為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的升高，這是因為雖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狀態，分子運動劇烈，分子間距變小，活化分子碰撞次數增多，反應更加容易進行，所以需要的氧減少，于是燃燒爆炸反應更加容易進行，爆炸上限升高，液體蒸汽發生爆炸的危險性增大。

2.2.3 爆炸壓力和爆炸指數

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出先升高后降低的現象。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。蒸汽爆炸指數與爆炸壓力的變化規律一致，爆炸壓力升高則爆炸指數也隨之升高，且可燃液體蒸汽的爆炸指數相對較高，爆炸危險性高。

3 結論

(1)隨著溫度上升，可燃性液體蒸汽的爆炸上限隨之升高。爆炸危險性升高。

(2)由公式理論計算得標準大氣壓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%。實驗測得了在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%，在標準大氣壓下，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)由于實驗裝置仍有一些不足之處，因此實驗數值與理論計算值之間仍然存在一定的差距。