高溫和高壓對乙烷在氧氣中爆炸極限影響的實驗研究*

喻健良，姚福桐，于小哲，閆興清，羅 燦，張煉卓

（大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧 大連 116024）

在工業生產和生活領域中，可燃氣體爆炸已經成為爆炸災害的主要形式之一[1]，因此對可燃氣體爆炸進行的預測和評估是迫在眉睫的。其中，爆炸極限是預測可燃氣體是否發生爆炸的重要參數，因此了解這些可燃氣體混合物在各樣工藝溫度和壓力下的爆炸極限，獲得可燃氣體爆炸極限的數據是十分必要的[2]。目前，許多學者們通過估計和數值模擬分析，預測可燃氣體爆炸極限方面做出了很多的貢獻[3-5]，但模擬和估算出來的結果會出現不可避免的誤差。因此，實驗仍然是獲得可燃介質爆炸極限數據的可靠方法。研究人員通過實驗獲得了一系列可燃介質在空氣及氧氣中爆炸極限，并針對在常溫常壓下[6-8]，以及單方面的高溫[9-10]或者高壓[11-12]下可燃氣體的爆炸極限方面進行了大量的研究，制定了一系列爆炸極限的測定標準。然而，無論是現有研究還是標準，針對爆炸、高溫高壓同時存在等復雜工況下爆炸極限的研究較少[13-15]，缺少高溫高壓下可燃氣體爆炸極限的相關數據。而隨著科技的不斷進步，越來越多的工業過程涉及到可燃氣體在高溫高壓等復雜條件下與空氣和氧氣接觸。

基于此，本文搭建了可以開展高溫高壓等復雜工況的爆炸實驗平臺，測量并分析了初始壓力在0.5～2.6 MPa，初始溫度在20～270 ℃時溫度和壓力對氧氣中乙烷爆炸極限的影響研究。

1 實驗裝置與方法

如圖1 所示為實驗系統示意圖，包括四個系統，分別是：20 L 球實驗系統、加熱系統、數據采集系統、配氣系統。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實驗在20 L 球形實驗裝置中進行，該實驗裝置可以承受500 ℃的溫度和50 MPa 的壓力。點火方式采用鎳鎘合金電熱絲電極點火，由36 V 直流電源供電，通過電腦端的控制采集系統控制，點火能量大于10 J。為了高溫高壓條件下的密封問題，同時便于更換容器內部的點火電極，自主設計電極陶瓷芯密封系統和子母雙法蘭系統，保證實驗在高溫高壓的條件下安全有效的進行。

實驗過程中的升溫需要保證使可燃氣體混合物均勻加熱，因此選擇高溫烘箱來控制，其通過風口吹出高溫度的熱風可以實現烘箱內20 L 球體的均勻加熱。同時用K 型熱電偶（測量范圍0～1 300 ℃）測量20 L 球形爆炸容器中的實時溫度，壓力采集使用PCB 高頻壓力傳感器，其采集頻率為250 kHz。

實驗采用常溫下分壓法配氣，先用真空泵將裝置抽成真空，根據事先設定好的體積分數通過分壓法進行配氣。同時為了使裝置內氣體混合的更加均勻，使用循環泵循環裝置內氣體5 min，并靜置5 min。

如圖2 所示為爆炸判據示意圖，其中橫坐標t為爆炸時間，縱坐標pr為爆炸升壓。根據BSEN 1839：2012 標準[16]，以最大爆炸升壓是否達到初始壓力的5%為判斷爆炸容器內發生爆炸的判據，若在同種工況相同體積分數下連續5 次未發生爆炸，則認為此體積分數為氣體在此種工況下的不可爆體積分數，爆炸極限取可爆體積分數與不可爆體積分數平均值。實驗的溫度范圍為20～270 ℃，壓力范圍為0.5～2.6 MPa。

圖2 爆炸判據示意圖Fig.2 Criteria for determination of explosion

2 溫度壓力的耦合作用對乙烷爆炸上限的影響

圖3 所示為不同初始溫度下，壓力對乙烷爆炸上限的影響情況，從圖中可以看出，不同的初始溫度下，隨著初始壓力的升高，乙烷爆炸上限逐漸升高。在溫度小于140 ℃時，壓力的升高使乙烷的爆炸上限升高，但其影響的效果變化很小。在溫度大于140 ℃時，壓力的升高使乙烷爆炸上限升高，但其影響的效果逐漸減小。

圖3 不同初始溫度下乙烷在氧氣中爆炸上限隨初始壓力變化Fig.3 Pressure dependence of upper explosion limits of ethane in oxygen at elevated temperatures

圖4 所示為不同初始壓力下，溫度對乙烷爆炸上限的影響情況，從圖中可以看出，不同初始壓力下，隨著初始溫度的升高，乙烷爆炸上限逐漸升高。在初始壓力小于1.6 MPa 時，溫度的升高使乙烷的爆炸上限升高，但其影響的效果變化很小。在初始壓力高于1.6 MPa，溫度高于140 ℃時，溫度的升高使乙烷的爆炸上限升高，且其影響的效果逐漸增大。

圖4 不同初始壓力下乙烷在氧氣中爆炸上限隨初始溫度變化Fig.4 Temperature dependence of upper explosion limits of ethane in oxygen at elevated pressures

從兩圖對比可以看出，在初始溫度和壓力較低時，初始溫度的升高或壓力的增大對乙烷的爆炸上限影響的變化幅度很小。在溫度較高時，單位壓力的升高對乙烷爆炸極限的影響減弱，在壓力較高時，單位溫度的升高對乙烷爆炸極限的影響增強。這是由于在高溫高壓時，乙烷-氧氣系統的氧氣含量逐漸降低，處于極度負氧狀態，壓力的再次升高，雖然增加了系統內可燃氣體和氧氣分子的數量，使可燃氣體與氧氣分子發生有效碰撞的幾率增加，但是多余未活化的可燃氣體分子阻止了其他的可燃氣體分子與氧氣分子的有效碰撞。而在高壓的情況下，溫度的再次升高，增加了分子的活化能，相對于低壓的情況，高壓升溫會產生更多的活化分子，加速可燃氣體分子的熱運動，增加分子之間的有效碰撞。

同時，Lewis 理論[17]給出了燃燒速度SL正相關于壓力pn，圖5 所示為燃燒速度SL隨初始壓力p的指數n的變化示意圖，當SL＜50 cm/s 時，n＜0；50 cm/s ＜SL＜100 cm/s 時，n≈0；SL＜100 cm/s 時，n＞0。圖6所示為乙烷和乙烯燃燒速度SL隨燃料比m的變化示意圖，對于乙烷來說，在爆炸上限附近燃料比非常大，此時其燃燒速度必然小于50 cm/s，故此時n＜0，因此隨著初始壓力p增大，燃燒速度SL逐漸減小，而燃燒速度反應了該條件下反應物的反應活性，因此在隨著初始壓力的增加，乙烷的爆炸極限逐漸擴大，但單位壓力的升高對乙烷爆炸極限的影響減弱。而且對于烷烴，圖7 所示為燃燒速度隨初始溫度變化示意圖，燃燒速度SL與溫度T正相關，因此隨著初始溫度T增大，燃燒速度SL逐漸增大，因此在隨著初始溫度的增加，乙烷的爆炸極限逐漸擴大，而且單位溫度的升高對乙烷爆炸極限的影響增強。

圖5 燃燒速度隨初始壓力變化示意圖Fig.5 Illustration of combustion velocity varying with initial pressure

圖6 乙烷和乙烯燃燒速度隨燃料比的變化示意圖Fig.6 Illustration of combustion velocity of ethane and vthylene varying with fuel ratio

圖7 燃燒速度隨初始溫度變化示意圖Fig.7 Illustration of combustion velocity varying with initial temperature

在溫度為20 ℃，壓力為0.5 MPa 的條件下，乙烷的爆炸上限為79.3%，而在溫度為270 ℃，壓力為2.6 MPa時，乙烷的爆炸上限升高到91.3%，提高了15.1%。當溫度為20 ℃，壓力由0.5 MPa 升高到2.6 MPa 時，乙烷爆炸上限由79.3%升高到87.0%，提高了9.7%。當壓力為0.5 MPa，溫度從20 ℃升高到250 ℃時，乙烷的爆炸上限由79.3%提高到86.3%，提高了8.8%。由此可見溫度和壓力的耦合作用對乙烷爆炸上限的影響要遠大于溫度或壓力單個因素的影響，但要略小于溫度和壓力單因素影響相加的和。

為了更加清晰的表明和分析初始溫度和初始壓力對乙烷爆炸上限的耦合影響，并對實際工程應用提供參考依據，以初始溫度為x軸，初始壓力為y軸，乙烷的爆炸上限為z軸進行三維非線性曲面擬合，得到乙烷爆炸上限隨初始壓力和溫度變化曲面，如圖8 所示，其擬合函數為：

式中： φu為乙烷在氧氣中的爆炸上限，p為混合氣體的初始壓力，T為混合氣體的初始溫度，其擬合參數值如表1 所示。

圖8 初始溫度和初始壓力對乙烷在氧氣中爆炸上限的耦合影響Fig.8 Temperature and pressure dependence of upper explosion limits of ethane in oxygen

表1 乙烷在氧氣中爆炸上限隨初始溫度和初始壓力變化擬合函數參數Table 1 Fitting function parameters of temperature and pressure dependence of upper explosion limits of ethane in oxygen

3 溫度壓力的耦合作用對乙烷爆炸下限的影響

圖9 所示為不同初始溫度下，壓力對乙烷爆炸下限的影響情況。從圖中可以看出，不同初始溫度下，隨著初始壓力的升高，乙烷爆炸下限逐漸降低。在20 ℃，壓力由0.5 MPa 升高到2.6 MPa 時，乙烷的爆炸下限由2.9% 降低到2.5%。在270 ℃，壓力由0.5 MPa 升高到2.6 MPa 時，乙烷的爆炸下限由2.6%降低到2.2%。與常溫相比，高溫情況下，乙烷爆炸下限受初始壓力變化影響的幅度減小。

圖9 不同初始溫度下乙烷在氧氣中爆炸下限隨初始壓力變化Fig.9 Pressure dependence of lower explosion limits of ethane in oxygen at elevated temperatures

圖10 所示為不同初始壓力下，溫度對乙烷爆炸下限的影響情況，從圖中可以看出，不同初始壓力下，隨著初始溫度的升高，乙烷的爆炸下限逐漸降低。在0.5 MPa，溫度由20 ℃升高到270 ℃時，乙烷的爆炸下限由2.9%降低到2.6%。在2.6 MPa，溫度由20 ℃升高到27 ℃時，乙烷的爆炸下限由2.4%降低到2.2%。與常壓下相比，高壓的情況下乙烷的爆炸下限受溫度變化影響較小。

與乙烷的爆炸上限相比，溫度和壓力的變化對乙烷的爆炸下限的影響較小。這是由于在爆炸下限附近，氣體混合物中乙烷的含量較小，氧氣含量較多，多余的氧氣分子會吸收反應的熱量，不利于鏈式反應的繼續進行。因此，溫度和壓力的升高雖然使乙烷的爆炸下限降低，但是其影響的幅度較小。

圖10 不同初始壓力下乙烷在氧氣中爆炸下限隨初始溫度變化Fig.10 Temperature dependence of lower explosion limits of ethane in oxygen at elevated pressures

在溫度為20 ℃，壓力為0.5 MPa 的條件下，乙烷的爆炸下限為2.9%，而在溫度為270 ℃，壓力為2.6 MPa時，乙烷的爆炸下限降低到2.2%，降低了24.8%。當溫度為20 ℃，壓力由0.5 MPa 升高到2.6 MPa 時，乙烷爆炸下限由2.9%降低到2.4%，降低了16.9%。當壓力為0.5 MPa，溫度從20 ℃升高到250 ℃時，乙烷的爆炸下限由2.9%降低到2.6%，降低了11.9%。由此可見溫度和壓力的耦合作用對乙烷爆炸下限的影響要遠大于溫度或壓力單個因素的影響，但要略小于溫度和壓力單因素影響相加的和。為了更加清晰的表明和分析，并對實際的工程應用提供參考依據，以初始溫度為x軸，初始壓力為y軸，乙烷的爆炸下限為z軸進行三維非線性曲面擬合，得到乙烷的爆炸下限隨初始壓力和溫度變化曲面，如圖11 所示。其擬合函數為

式中： φl為乙烷在氧氣中的爆炸下限，p為混合氣體的初始壓力，T為混合氣體的初始溫度，其中z0、A、B、C分別為1.92、1.26、549.09、2.92，R2為0.99。

圖11 初始溫度和初始壓力對乙烷在氧氣中爆炸下限的耦合影響Fig.11 Temperature and pressure dependence of lower explosion limits of ethane in oxygen

4 結 論

隨著初始溫度和初始壓力的升高，乙烷爆炸極限范圍逐漸擴大。

對于乙烷爆炸上限，在溫度小于140 ℃時，在高壓和低壓兩種情況下，壓力的升高使乙烷的爆炸上限升高，但其影響的效果變化很小。在溫度大于140 ℃時，壓力的升高使乙烷爆炸上限升高，但其影響的效果逐漸減小。在初始壓力小于1.6 MPa 時，在高溫和低溫兩種情況下，溫度的升高使乙烷的爆炸上限升高，但其影響的效果變化很小。在初始壓力高于1.6 MPa，溫度高于150 ℃時，溫度的升高使乙烷的爆炸上限升高，且其影響的效果逐漸增大。初始溫度和初始壓力對乙烷在氧氣中爆炸上限的耦合作用略小于兩個因素作用的和，但遠大于單個因素的作用。

對于乙烷的爆炸下限，溫度和壓力對其的影響遠小于乙烷爆炸上限，且隨著溫度和壓力的逐漸升高，乙烷的爆炸下限逐漸降低。