典型二元混合液体蒸气爆炸下限的实验研究与理论预测

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可燃物爆炸下限是工业生产过程中的一个表征物质危险性的重要参数。国内外对于可燃物爆炸下限的研究主要集中于单组份方面,对于可燃混合物爆炸下限的相关研究很少见。混合物的爆炸下限随其成分、浓度的不同而变化,难以直接从文献中查得。可燃混合物爆炸下限的测定,可通过爆炸极限测试仪进行,但由于和单组份相比,混合物爆炸下限的测定试验过程,更为耗时耗力,无法在大范围推广应用。对于混合物爆炸下限理论预测研究,由于实验数据的缺乏,相关研究也处于起步阶段。基于此背景,为了给工业生产安全提供必要的基础数据与研究方法支撑,本文拟针对典型二元混合液体蒸气的爆炸下限开展实验及理论预测研究。  首先利用FRTA爆炸极限测试仪对不同组分和配比的21组126个二元可燃混合液体蒸气的爆炸下限进行了试验测定。以实验数据为基础,得出二元可燃混合液体蒸汽爆炸下限的变化规律,并对所得的规律进行了解释,分析了不同变化规律的原因。其中同类物质混合溶液爆炸下限规律呈渐进变化规律,变化规律能体现出爆炸下限对配比的依赖性;不同种类物质混合液体蒸气爆炸下限变化规律中也有渐进变化这一规律,但当二单质的爆炸下限差值很小时,则会出现爆炸下限基本恒定的现象。  在混合液体蒸气爆炸下限的理论预测方面,本文首先利用Taylor多项式,拟合出常压下混合液体蒸气的爆炸下限随组分配比变化的经验计算公式,并通过实验数据进行了验证,对预测集中所有63个数据点的预测平均绝对误差为0.161%。其次根据基团贡献法,通过引入混合原子基团贡献值的概念,对已有的单组份爆炸下限理论预测模型进行了进一步的改进,将混合物中单组份的原子基团贡献值进行加权求和,并以混合物爆炸下限实验数据为样本,分别应用线性回归和非线性回归方法进行拟合,获得相应的预测模型,通过模型比较发现,根据非线性回归获得的4阶非线性模型预测结果更为准确,其复相关系数R2及外部预测结果Q2均大于0.83,对所有数据点的预测平均绝对误差为0.294%。为了建立更为简单且预测精度更高的模型,本文最后对各纯组分的理化参数及混合液体的配比进行统一转换,构建了混合物理化参数来表征混合液体蒸汽的理化特征,利用线性回归和非线性回归的建模方法,建立了新的二元可燃混合液体蒸气爆炸下限预测模型。结果表明所建立模型与基于原子基团贡献法所建立的模型相比其预测性能有了明显的提升,预测误差在可接受范围之内,结果令人满意。各个模型的复相关系数R2及外部预测结果Q2均大于0.95,表明模型具有较好的稳定性和预测能力。  在气态混合物爆炸下限的预测方面,主要是通过建立一个绝热燃烧相平衡,结合详细的化学动力学反应机理,模拟了气体单质和混合气体的绝热燃烧过程,确定了不同可燃气体和惰性气体浓度下的绝热温升和压升,分析了绝热温升和压升曲线拐点形成的原因。根据绝热压力升为3.2个大气压对应的可燃气体浓度确定了对应研究体系的爆炸下限值,并将模拟结果同实验数据进行了对比,验证其可靠性。结果表明对于含碳量较低的气态可燃混合物爆炸下限的预测,可以依据相关动力学反应机理,进行数值模拟计算得到。
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