非常溫烷烴爆炸上限模型研究

■ 陳海軍 江蘇城鄉(xiāng)建設職業(yè)學院

可燃氣體常溫下爆炸極限是安全評價和爆炸防護中重要的指標，可燃性混合物能夠發(fā)生爆炸的最低濃度和最高濃度，分別為爆炸上限和爆炸下限，當可燃氣體在爆炸極限規(guī)定的范圍，即爆炸上限和爆炸下限之間時爆炸會發(fā)生，而如果爆炸極限在爆炸范圍之外，即超過爆炸上限或低于爆炸下限時就不會發(fā)生爆炸?？扇嘉锉O限受溫度的影響規(guī)律一般是：溫度升高，氣體爆炸下限下降，爆炸上限升高。本文只研究爆炸上限模型，通過運用溫度對反應速度影響的阿累尼烏斯定律，得出適合氣體溫度對爆炸上限影響簡化模型。

一、非常溫烷烴爆炸上限模型研究方法

可燃氣體爆炸極限受溫度影響一般規(guī)律為溫度升高，爆炸下限降低，爆炸上限升高，爆炸范圍變大，危險性變大。爆炸上限值的測試和理論計算修正方法有幾種。

溫度對爆炸上限影響的實驗室測試方法國際上主要有2種測定方法，第一種測試方法美國標準材料試驗協會（ASTM）E681和E981、Zabetakis和Lees，德國工業(yè)標準DIN 51469、Barknecht和Coward等人對其方法在點火源上進行改進，該方法與國標（GB／T12474）類似，這種方法的特點是通過觀察火焰蔓延速度及燃燒速度判斷是否爆炸；第二種方法是德20L球型實驗裝置，所提供測試方法，該方法判定爆炸的依據是一次點火壓力升高5%-7%以上；當然也有可能改進測試儀器使兩個標準統(tǒng)一。方法一得出的數據與燃燒極限接近度很高，事實上很多時候人們使用爆炸下限和燃燒下限很統(tǒng)一，同時方法一得一個很大的缺點是觀察爆炸式火焰蔓延用肉眼很難分辨。方法二測試結果得出的壓力曲線很容易判斷是否爆炸。

溫度對爆炸上限測量數據處理主要有線性方程擬合、非線性方程擬合，由于物質的不同，模型也不同，烷烴類多數符合非線性模型，而醇類也能很好的符合多元非線性模型。

線性方程擬合、非線性方程擬合兩種方法各有特色，前者比較簡單對于大部分數據滿足方程，后者方程類型很多，合理的具有一定意義的不多，但是一旦找到，方程往往擬合效果更佳。一般實驗數據都會使用兩種方法處理，這兩種方法是處理實驗數據的基本方法。對于烷烴爆炸極限，線性模型適合簡單預測，其精度不高，卻擬合系數偏低，而非線性模型相對復雜一些，模型的擬合系數較高。但是如果實驗數據完全通過兩種方法尋找擬合模型，存在一個很大的弊端，得出的模型并無物理意義并且回歸模型很難統(tǒng)一。

故本章先討論爆炸理論和化學熱反應機理，從中總結可以使用的簡化模型，并由簡化模型和實驗數據總結相關系數。

對于氣相反應：aA+bB→cC+dD溫度對對化學反應速率的影響，集中反應在反應速率常數K上。在大量實驗的基礎上，阿倫尼烏斯1889年提出阿倫尼烏斯定律（Arrhenius'principle）。

溫度對化學反應速率常數K的影響：

式中E a為活化能。

溫度對化學反應速度的影響：

由此Francis Stoessel得出溫度對化學放熱速度的影響：

由上得出溫度對化學反應放熱速度簡化模型q=c*exp（b-a/x）

對于可燃氣體爆炸上限，我們可以這樣理解，在爆炸時對應化學的反應放熱速度為最小爆炸能對應的反應速度。故爆炸上限正比于反應速度。

此時對應的摩爾濃度為y。故爆炸下限y=v2=cexp（b-a/x）。（其中a，c為正值）

從推導結果看初始溫度升高，爆炸上限升高，與實際結果相符。

二、非常溫烷烴爆炸上限模型推導和論證

本章引用部分實驗數據對溫度和爆炸上限影響進行預測，將擬合模型簡化為：y=c*exp（b-a/x）：

表1-1 烷烴高溫下爆炸上限測定實驗數據用簡化模型擬合效果

正庚烷 y=（6.51472）+exp（（4.49551）-（2339.8）/x）0.93675726正庚烷（不包括298 K云霧狀非均相體系數據）y=（6.00411）+exp（（1.66616）-（758.177）/x）0.99999520正辛烷 y=（6.04148）+exp（（2.22253）-（1439.76）/x）0.95412134正辛烷（不包括298 K云霧狀非均相體系數據）y=（3.04411）+e x p（（1.446）-（105.156）/x）0.99912004正壬烷 數據太少 數據太少

該數據給出烷烴爆炸上限隨不同溫度的影響，整體上為溫度升高爆炸上限上升。

三、結語

本文運用阿倫尼烏斯定律，得出簡化的爆炸上限隨溫度變化的理論模型，通過實際實驗值進行擬合相關度比較得出如下結論：

1.爆炸上限隨溫度變化擬合數據中，云霧狀非均相體系的數據對模型擬合結果影響很大，說明物質的狀態(tài)對爆炸極限有影響。

2.通過擬合效果，得出該模型有較好的擬合度，可以通過擬合曲線去預測非實驗條件溫度的其他溫度下的爆炸上限。

3.阿倫尼烏斯定律運用的條件是溫度對反應的影響符合指定模型，對于一些不是指定模型的物質該公式不適用。

4.擬合模型中相關系數的物理意義的探討和尋求也是一個值得研究的內容。