氣體可燃濃度極限測試系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王義章(沈陽工業(yè)大學(xué) 化工過程自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 遼陽 111003)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中常涉及到可燃?xì)怏w的使用或不良威脅。近年來，隨著新一代環(huán)保工質(zhì)的引入，商業(yè)服務(wù)和日常生活中的很多制冷熱泵設(shè)備也需面臨燃爆安全防護(hù)問題[1]。為此，國內(nèi)外學(xué)者投入大量研究精力，對燃燒反應(yīng)機(jī)理、燃燒特性參數(shù)、關(guān)鍵影響因素等有了深入認(rèn)識[2-3]，提出多種阻燃惰化方法[4]與安全防護(hù)機(jī)制[5]。很多高校的化工類專業(yè)陸續(xù)開設(shè)了可燃?xì)怏w燃爆反應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

可燃濃度極限是可燃?xì)怏w最為基礎(chǔ)和重要的參數(shù)，影響其危險(xiǎn)性分級、最大允許充注量及安全性管理等[6-7]。可燃濃度極限可細(xì)分為可燃濃度下限(LFL)和可燃濃度上限(UFL)，分別表征可燃?xì)怏w在空氣中遭遇點(diǎn)火源能發(fā)生燃爆反應(yīng)的最低和最高濃度。LFL和UFL的實(shí)測方法有“火焰觀測法”和“壓升估測法”兩大類，前者通過直接觀察火焰?zhèn)鞑ヒ源_定燃爆反應(yīng)的發(fā)生，采用玻璃反應(yīng)容器；后者通過檢測體系壓力陡升率來評估燃燒反應(yīng)是否發(fā)生，采用耐高壓金屬反應(yīng)容器。對于玻璃制反應(yīng)容器，又分為“球型燒瓶”和“長玻璃管”兩類。表1總結(jié)對比了國內(nèi)外研究者主要參考的氣體可燃濃度極限測試方法。

表1 常見國內(nèi)外氣體可燃濃度極限測試方法對比

雖然可燃濃度極限測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有參考方法可依，但具體落實(shí)時(shí)，鑒于可執(zhí)行性、安全性、環(huán)境影響性、準(zhǔn)確性等諸多因素，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮到：(1)“壓升估測法”對安全防護(hù)提出更高要求，測試結(jié)果也不直觀，不適宜教學(xué)演示；而且有時(shí)燃燒反應(yīng)已發(fā)生，但未檢測到壓力升≥5%，被誤判為未然。(2)因器壁效應(yīng)影響，基于“長玻璃管”法所測得的可燃濃度極限范圍會(huì)小于同等條件下基于“球型燒瓶”法所測結(jié)果，致使低估氣體燃爆性。因此本文以“球型玻璃燒瓶”測試方法為基礎(chǔ)，根據(jù)科研教學(xué)實(shí)踐需求，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體布局

氣體可燃濃度極限測試系統(tǒng)主要由(1)主反應(yīng)子系統(tǒng)、(2)配氣與環(huán)控子系統(tǒng)、(3)后處理子系統(tǒng)、(4)控制與數(shù)采子系統(tǒng)組成。部件尺寸和技術(shù)參數(shù)均滿足或高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求、且強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)操作流程、提高了反應(yīng)初始條件的精確性、增強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)人員的安全防護(hù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體布局如圖1所示。

圖1 氣體可燃濃度極限測試系統(tǒng)總體布局

1.2 主反應(yīng)子系統(tǒng)

主反應(yīng)子系統(tǒng)主要包括一只容積約為12 L的球型高硼玻璃燒瓶及其配套泄壓裝置、和一套高壓電火花點(diǎn)火裝置。參考相關(guān)國際測試標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)火器輸出電壓15 kV，電流30 mA，每次點(diǎn)火放電持續(xù)時(shí)間0.4～0.5 s；電極直徑1 mm，間距 6.4 mm，位于距離瓶底約1/3瓶子直徑處。測試經(jīng)驗(yàn)：優(yōu)選鎢鈰合金電極，具有良好起弧能力，電極外需加裝絕緣陶瓷套保護(hù)、電極與高壓線間要保持緊密銜接。

玻璃反應(yīng)容器的壁厚2.5～3 mm。此外，如若測試極易燃?xì)怏w，反應(yīng)容器的容積可由12 L縮小至5 L；如若反應(yīng)容器所處環(huán)境溫差波動(dòng)巨大，建議將玻璃反應(yīng)容器替換為石英材質(zhì)容器，以應(yīng)對劇烈的冷、熱沖擊。反應(yīng)容器頂端的泄壓口要確保足夠大的通徑，一般不應(yīng)小于25 mm。

1.3 配氣與環(huán)控子系統(tǒng)

氣體可燃濃度極限測試中，需要配置一定濃度的可燃?xì)怏w與空氣的混合物，通常依據(jù)道爾頓分壓定律執(zhí)行，如式(1)所示。

式中：Pi、P0分別為可燃?xì)怏w容器內(nèi)分壓力、總壓強(qiáng)(Pa)；LFLi、UFLi分別為可燃濃度下限、上限，體積分?jǐn)?shù) (%)；Vi、V分別為可燃?xì)怏w容器內(nèi)分體積、總體積(L)。

顯然所測得的壓力值的準(zhǔn)確性是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素。一方面，應(yīng)選用不確定度盡可能小、測量范圍適宜的絕壓型壓力傳感器；另一方面，要采用自動(dòng)控制裝置取代傳統(tǒng)手動(dòng)閥門來調(diào)控進(jìn)氣量。本設(shè)計(jì)中，使用了可編程控制器作為下位機(jī)，因而可以在控制程序中設(shè)計(jì)好各閥門的自動(dòng)通、斷邏輯。此外，系統(tǒng)負(fù)壓下的密封性及抽真空的能力也會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。推薦使用真空泵+擴(kuò)散泵+特制密封膠的方案予以解決。

有兩種方法配置預(yù)混待測氣：(1)間接法。設(shè)計(jì)一個(gè)配氣罐，體積約為反應(yīng)容器的13倍，按式(1)算法，分別導(dǎo)入可燃?xì)怏w及空氣(或人工空氣)，罐壓高于大氣壓3～4倍。經(jīng)攪拌、穩(wěn)定，而后對反應(yīng)容器抽真空，再從配氣罐中導(dǎo)入待測樣氣。(2)直接法。直接以玻璃反應(yīng)容器為配氣罐，先抽真空至667 Pa以下 (且密封性優(yōu)于5 min內(nèi)壓力升不大于267 Pa)，然后按式(1)算法，分別導(dǎo)入可燃?xì)怏w及空氣(或人工空氣)至瓶內(nèi)至一個(gè)大氣壓。然后攪拌均勻。為降低誤差，建議重復(fù)配置兩次。

初始環(huán)境溫度對氣體可燃濃度極限影響顯著。研究表明，氣體可燃濃度極限范圍通常會(huì)隨著反應(yīng)溫度的提高而擴(kuò)大。為控制初始環(huán)境溫度，需要將反應(yīng)容器置于恒溫箱體內(nèi)。本設(shè)計(jì)中采用熱泵型空氣調(diào)節(jié)機(jī)組結(jié)合電加熱器來實(shí)現(xiàn)溫控，且對恒溫箱的視窗進(jìn)行了中空玻璃+防爆玻璃設(shè)計(jì)，保溫的同時(shí)，又兼具了觀察和保護(hù)作用。初始環(huán)境濕度也影響氣體可燃濃度極限，特別是對于氟代丙烯類氣體。實(shí)操中調(diào)減濕度的方法有人工干空氣(N2+O2)、使用干燥器等；調(diào)增濕度的方法有注射器注水法(每g干空氣配0.008 9 g水相當(dāng)于RH=50%@23 ℃)、恒溫恒濕氣體導(dǎo)入法等。

1.4 后處理子系統(tǒng)

對于碳?xì)浠衔镱惪扇細(xì)怏w，其產(chǎn)物為水和CO2,當(dāng)空氣中CO2含量達(dá)到3%～4%時(shí)，對人體健康產(chǎn)生危害，7%～10%時(shí)，可致人昏迷[2]；此外需用熱風(fēng)烘干反應(yīng)后的玻璃燒瓶。而對于含氟可燃?xì)怏w，其燃燒產(chǎn)物中還有有毒的HF，強(qiáng)烈刺激咽喉。

為此本設(shè)計(jì)中：(1)加增了排風(fēng)機(jī)、抽氣泵和堿液(例如NaOH水溶液)用以中和反應(yīng)。然后再通入實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)櫥進(jìn)行二次處理。抽氣泵內(nèi)襯采用耐腐蝕高聚物材質(zhì)。(2)多次測試后，真空油會(huì)被嚴(yán)重污染，需及時(shí)更換，否則抽真空能力衰減顯著。(3) HF會(huì)腐蝕玻璃器件，需及時(shí)使用添加了活性劑的水來清洗。(4)再次實(shí)驗(yàn)前，需用鹵素檢漏儀檢測無殘留物。

2 系統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)設(shè)定與調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需的初始反應(yīng)溫度。

(2)綜合檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣密性及真空度。

(3)配置導(dǎo)入一定濃度可燃?xì)怏w-空氣混合物。

(4)待測樣氣混合物的均勻化、穩(wěn)定化處理。

(5)操作點(diǎn)火、泄壓，觀察火焰動(dòng)態(tài)特性。判定準(zhǔn)則：火焰自電極著火點(diǎn)向上或向左右傳播，且沿瓶壁傳播夾角不小于90°，如圖2 所示。

圖2 實(shí)測的火焰?zhèn)鞑D(CH2F2@25 ℃，體積含量16%)

(6)無論燃燒是否發(fā)生，都需清理反應(yīng)系統(tǒng)。

(7)重復(fù)前述步驟，用漸進(jìn)法+二分法，逐步調(diào)增(如果未燃)或調(diào)減(如果已燃)待測樣氣濃度，直至測得LFL；反之，可測出UFL。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選擇常見的二甲醚(CH3OCH3)為研究對象，在常溫常壓下，反復(fù)測試其LFL值，首先滿足復(fù)現(xiàn)性要求。然后，將本研究實(shí)測值與6篇參考文獻(xiàn)值作對比分析[8-12]，如圖3所示，平均絕對偏差0.075 vol%，平均相對誤差僅2.19%。說明本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較好的可用性。

圖3 CH3OCH3的可燃濃度極限對比

3 結(jié)語

本文以球型玻璃燒瓶測試方法為基礎(chǔ)，根據(jù)科研教學(xué)實(shí)踐需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)了氣體可燃濃度極限測試系統(tǒng)，主要得到以下結(jié)論：

(1)基于不同的標(biāo)準(zhǔn)，所測得的氣體可燃濃度極限是有差別的。設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)時(shí)，需考慮可執(zhí)行性、安全性、環(huán)境影響性、準(zhǔn)確性等諸多因素。

(2)測試CH2F2、CH3OCH3等新型制冷熱泵循環(huán)工質(zhì)的可燃濃度極限時(shí)，優(yōu)選“12 L球型玻璃燒瓶”方法，準(zhǔn)確性和橫向?qū)Ρ刃院谩?/p>

(3)待測樣氣配置精確、初始環(huán)境條件調(diào)控、和電極特殊處理以確保輸出穩(wěn)定，對于保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。