冯梦梦，谭迎新，韩　意

(1. 中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051； 2. 中国人民解放军63961部队，北京 100012)



N2/CO2混合气体对丙酮爆炸极限的影响*

冯梦梦1，谭迎新1，韩意2

(1. 中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051； 2. 中国人民解放军63961部队，北京 100012)

摘要:为了研究N2、CO2及其混合气体对丙酮爆炸极限的影响，使用爆炸极限测试仪，将气体按一定比例进行混合，从最佳抑爆浓度和抑爆效果两个方面进行分析. 结果表明： N2，N2/CO2体积比为2∶1，1∶1，1∶2混合气体，CO2对丙酮的爆炸均有抑制作用且最佳抑爆浓度分别为49%，47%，44%，43%，42%； N2/CO2混合气体中CO2的含量越高，对丙酮的抑爆效果越好； 不同比例的混合气体对丙酮爆炸上限和下限的影响可近似认为是线性变化的； 随着N2，CO2及其混合气体含量的增加，丙酮的爆炸极限范围减小，丙酮爆炸的危险性降低； 当惰性气体增加到一定浓度时，丙酮的爆炸上限和下限重合，其爆炸极限范围可以据此确定.

关键词:氮气； 二氧化碳； 丙酮； 爆炸极限； 抑爆效果

0引言

可燃物质与空气混合，当其浓度达到一定范围时，遇到火源就会发生爆炸. 除了经常发生的甲烷爆炸[1]事故外，丙酮的爆炸事故也常常发生，防止丙酮爆炸的措施有很多，其中抑爆是比较常用的方法[2-4]. 抑爆又分为惰性气体抑爆剂和化学抑爆剂，惰性气体抑爆剂具有抑爆性能优良、来源广泛、对环境无污染等特点，因而受到广泛的关注[5-6]. 常用的惰性气体有CO2，N2，CCl4，水蒸气等.

关于惰性气体对丙酮的抑爆的研究已有很多，但很多研究都是研究单一的惰性气体对丙酮的爆炸极限的影响，而对混合惰性气体对丙酮的爆炸极限的影响的研究相对较少[7-8]. 本试验采用爆炸极限测试仪来研究CO2，N2及混合气体对丙酮的爆炸极限和抑爆效果的影响并得出抑爆曲线，可以作为参考.

1试验装置和实验条件

1.1试验装置

试验数据是由FRTA爆炸极限测试仪来测定的，该仪器由美国爱迪赛恩有限公司生产. 该仪器用于测试可燃气体和可燃液体蒸气等化学物质的爆炸极限，也可以测试含有一定惰性气体成分的可燃物质的爆炸极限. 试验仪器的原理是通过电子点火，观察火焰是否传播，火焰传播至玻璃容器顶部则认为爆炸，反之则认为不爆炸. 设计适用于以空气作为氧化剂的测试. 装置结构图如图1 所示.

图1　爆炸极限测试仪装置结构图Fig.1　Device structure of explosion limit tester

1.2试验条件

试验装置点火能5 J，电源15 kV/30 mA，环境温度为20 ℃左右，真空度为0.074 kPa，环境湿度为30%左右. 实验用丙酮浓度99.5%，分析纯； 氮气体积分数99.9%，二氧化碳体积分数99.9%.

2试验内容

2.1丙酮爆炸极限的测定

有机可燃气体爆炸极限的计算公式为

式中：A为1摩尔有机可燃气体完全燃烧时所需的氧气系数即摩尔数[9]，此时A=4 moL. 丙酮爆炸下限的计算值为2.56%，爆炸上限的计算值为13.61%. 爆炸极限试验采用逐步逼近法进行测试，即逐步增加(或减少)丙酮的浓度，然后点火试爆(如果没有发生爆炸，每次最少点火3次)，直到发生爆炸.

2.2惰性气体对丙酮爆炸极限的影响

首先检查试验装置的气密性是否良好，然后根据道尔顿气体分压定律来进行丙酮和惰性气体的配气[10]. 按照试验步骤向玻璃容器中分别通入不同体积分数的惰性气体，直至丙酮的爆炸上限和下限重合，即丙酮不发生爆炸. 每次试验重复3次. 分别通入纯N2，体积比为2∶1，1∶1，1∶2的N2/CO2，纯CO2. 实验结果如图2 所示.

图2　不同比例的惰性气体对爆炸极限的影响Fig.2　Influence on explosion limit for inert gases mixture with different compositions

3试验结果及分析

图2为不同比例的N2和CO2混合气体对丙酮爆炸极限的影响. 由图2 可以看出，随着惰性气体的加入，丙酮的爆炸极限范围减小，惰性气体对丙酮的爆炸有一定程度上的抑制作用. 这是因为在丙酮中加入惰性气体后，混合气体中单位体积内氧气的含量被稀释，故减少了丙酮蒸气分子和氧分子作用的机会，同时也使得混合气体和氧气发生隔离，当活化分子碰撞到惰化气体分子时会使活化分子失去活化能从而不能发生反应. 惰性气体对爆炸上限的影响相对来说较大，爆炸上限有一定程度上的下降，而对爆炸下限影响很小，只是略微上升. 这是因为在爆炸上限附近时，单位体积内氧气的含量很小，惰性气体的加入使单位体积内得氧气的含量更小，不容易发生爆炸，所以对爆炸上限有一定程度上的影响. 不同混合比例的惰性气体对丙酮的爆炸上限和下限的影响可近似认为是线性变化的. 当惰性气体增加到一定浓度时，丙酮的爆炸上限和下限重合，丙酮蒸气不再发生爆炸，此时惰性气体的浓度为最佳抑爆浓度.

从最佳抑爆浓度来看，纯N2，体积比为2∶1，1∶1，1∶2的N2/CO2混合气体，纯CO2的最佳抑爆浓度分别是49%，47%，44%，43%，42%，纯N2的最佳抑爆浓度最高，纯CO2的最佳抑爆浓度最高，混合气体的最佳抑爆浓度居中，说明对相同体积的丙酮进行抑爆需要更多的N2. 从抑爆效果来看，加入10%的纯CO2和加入10%的纯N2相比较，丙酮的爆炸上限前者下降为9.99%，后者下降为11.82%，说明CO2比N2有更好的抑爆效果. 加入20%的N2/CO2体积比分别为2∶1，1∶1，1∶2的混合气体，丙酮的爆炸上限分别下降为9.53%，8.82%，8.10%，说明混合气体中CO2的含量越高，对丙酮的抑爆效果越好.

4结论

1) N2，CO2对丙酮的爆炸均有抑制作用且CO2比N2有更好的抑爆效果；

2) 随着N2，CO2含量的增加，丙酮的爆炸极限范围减小，爆炸的危险性变小；

3) 不同比例的混合气体对丙酮爆炸上限和下限的影响可近似认为是线性变化的；

4) N2/CO2混合气体中CO2的含量越高，对丙酮的抑爆效果越好；

5) N2，CO2及混合气体增加到一定浓度时，丙酮的爆炸上限和爆炸下限重合，爆炸极限范围可以据此确定.

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Influence of N2/CO2Mixture on Acetone Explosion Limit

FENG Mengmeng1, TAN Yingxin1, HAN Yi2

(1. College of Chemical and Environment，North University of China, Taiyuan 030051，China；2. PLA Unit 63961, Beijing 100012, China)

Abstract:To study the influence of N2, CO2 and mixed gas on the explosion limit of acetone, experimental investigation on the best concentration of explosion suppression and explosion suppression effect were measured by explosion limit tester and the gas is mixed by a certain percentage. Results show that N2, N2/CO2 volume ratio of 2∶1, 1∶1, 1∶2, CO2 have suppression on acetone's explosion and the best concentration of explosion suppression respectively are 49%,47%,44%,43%,42%.The higher the composition ratios of CO2 in mixed gas, the better the explosion suppression effect for acetone. The influence of various composition of inert gases on explosion limit of acetone mixture can be considered to be linear. With N2, CO2 and mixed gas content increases, the acetone explosion limit is reduced and then the risk of acetone explosion is reduced too. When the inert gas is increased to a certain concentration, the upper and lower explosive limits of acetone are coincident and the explosion limit range can be determined accordingly.

Key words:nitrogen; carbon dioxide; acetone; explosion limit; explosion suppression effect

文章编号:1671-7449(2016)04-0365-04

收稿日期：2016-04-10

基金项目：山西省重点科技计划资助项目(2006年)

作者简介：冯梦梦(1989-)，女，硕士生，主要从事危险化学品的防火与防爆研究.

中图分类号:X932

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.014