可燃气体爆炸极限影响因素研究

学号：09412110 常州大学

毕业设计（论文）

（2013届）

题目可燃气体爆炸极限影响因素研究

学生

学院环境与安全工程学院专业班级安全091

校内指导教师专业技术职务

校外指导教师专业技术职务

二○一三年六月

可燃气体爆炸极限影响因素研究

摘要：可燃气体爆炸已经逐渐成为工业生产、生活中主要危害之一，因此研究可燃气体爆炸机理对预防可燃气体爆炸具有重要意义，而爆炸极限是研究可燃气体爆炸的一个重要参数。影响可燃气体爆炸极限的因素很多，本文主要以液化石油气、甲烷为例，通过实验及查找文献等，运用对比分析、线性回归、黄金分割等方法进行研究，研究结果如下：

可燃气体最小点火能随浓度呈先减小后增大的趋势，液化石油气最小点火能为3.85mJ，对应浓度为7.5%；甲烷最小点火能为5.19mJ，对应浓度为11%，并且根据二者变化趋势图，得出液化石油气、甲烷最小点火能与浓度之间的抛物线方程。可燃气体爆炸上限随惰性气体浓度上升急剧减小，而爆炸下限基本不变。通过线性回归分析，获得甲烷爆炸上限与氮气、甲烷浓度之间的一次线性回归方程。在分析惰性气体对甲烷抑爆作用中得出，氮气抑爆极限浓度为23%，二氧化碳抑爆极限浓度为32%。通过优选法中黄金分割法，给出简化最小点火能实验的方法，该结果可以减小实验的盲目性，快速、准确地获得可燃气体的最小点火能。

关键词：液化石油气；甲烷；最小点火能；惰性气体；爆炸极限

Research on influencing factors about combustible gas explosion

limits

Abstract：Combustible gas explosions have become one of the main hazards among the industrial production and the life step by step, therefore, it is very important to do research on the combustible gas explosion mechanism to prevent the combustible gas explosion, and the explosive limit is is an important parameter when we do study on combustible gas explosion. There are many factors affect the combustible gas explosion limits, in this paper, we give LPG, methane for examples, researching with the methods of comparative analysis, linear regression and optimization through doing experiments and searching for literature.The results are as follows:

The minimum ignition energy of combustible gas concentrations were decreased first and then increased with the increase of concentrations.LPG minimum ignition energy is 3.85mJ,corresponding to a concentration of 7.5%;the minimum ignition energy of methane is 5.19mJ,corresponding to a concentration of 11%.According to both of the the changing trends pictures,we can get the parabolic equation of LPG and methane between the minimum ignition energy and concentration.The upper explosion limit of combustible gas decreases sharply with the increase of the concentration of the inert gas , while the lower explosion limit basically unchanged.Through linear regression analysis,obtaining the linear regression equations between methane concentrations and the upper explosion limit of methane,nitrogen. In the analysis of the suppression effects of inert gas,we derive that nitrogen explosion suppression limit concentration is 23%, the concentration of carbon dioxide explosion suppression limit is 32%.Through the golden section method in the optimizing method, the simplify experimental method is given when we need the minimum ignition energy,the experimental results can reduce the blindness of experiment, obtain the minimum ignition energy of combustible gases quickly and accurately.

Key words：LPG；methane；minimum ignition energy；Inert gas；Explosive limit

目录

摘要............................................................................................................................................. I 目录.......................................................................................................................................... III 1 引言. (1)

1.1课题研究的意义 (1)

1.2国内外研究现状及发展趋势 (1)

1.2.1国外研究现状 (1)

1.2.2国内研究现状 (2)

1.2.3课题研究的发展趋势 (2)

1.3研究课题内容 (3)

1.3.1课题研究的目标 (3)

1.3.2拟解决的关键问题 (3)

1.3.3研究方案的确定 (3)

2 可燃气体爆炸基本知识 (5)

2.1爆炸及其分类 (5)

2.1.1爆炸概念 (5)

2.1.2爆炸的分类 (5)

2.2可燃气体爆炸 (6)

2.2.1单一气体分解爆炸 (7)

2.2.2混合气体爆炸 (7)

2.3 爆炸极限的概念 (8)

2.4液化石油气基本知识 (8)

2.4.1液化石油气组成成分 (8)

2.4.2液化石油气理化性质 (8)

2.4.3液化石油气危险特性 (8)

2.5甲烷基本知识 (9)

2.5.1甲烷理化性质 (9)

2.5.2甲烷危险特性 (9)

3 可燃气体爆炸实验研究 (10)

3.1爆炸实验装置 (10)

3.1.1可燃气体爆炸实验图 (10)

3.1.2可燃气体爆炸箱 (10)

3.1.3点火能调节装置 (11)

3.1.4可燃气体供给装置 (12)

3.1.5流量调节装置 (12)

3.2主要设备列表 (13)

4数据分析原理 (14)

4.1线性回归分析 (14)

4.2黄金分割法 (14)

5 实验数据分析 (16)

5.1点火能对爆炸极限影响 (16)

5.1.1两种气体浓度与最小点火能关系变化趋势 (16)

5.1.2不同浓度下，可燃气体最小点火能与浓度关系式探索 (17)

5.1.3小结 (19)

5.2惰性气体对爆炸极限的影响 (19)

5.2.1惰化状态下，不同浓度甲烷最小点火能测试 (19)

5.2.2 N2对甲烷爆炸极限影响实验 (21)

5.2.3 CO2对甲烷浓度爆炸极限影响实验 (23)

5.2.4两种惰性气体对甲烷爆炸极限影响的比较 (25)

5.2.5小结 (26)

6结论与展望 (27)

6.1 结论 (27)

6.2 建议 (28)

参考文献 (29)

致谢 (31)

1 引言

1.1课题研究的意义

可燃性气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一，自1857年英国发生城市煤气管道爆炸以来，许多学者就开始了对气体爆炸的研究工作[1]。近年来，各种工业场所可燃性气体（液体蒸气）火灾爆炸事故已屡见不鲜，严重威胁着煤矿安全生产、天然气运输、石油化工等行业，给人民生命财产带来极大危害。为有效地预防和控制事故的发生，就必须深入研究其爆炸机理。研究结果表明，如果爆炸性气体浓度处于爆炸极限范围内，则会导致爆炸的发生，而爆炸极限不是一个固定的值，它受多种因素影响，工业生产中很难确定可燃、可爆气体的安全浓度范围，但是如果对可燃性气体（液体蒸气）的爆炸进行定性、定量分析，了解其形成条件，研究和发现可燃性气体（液体蒸气）爆炸的规律，精确地描述整个爆炸过程，可有效地提出减灾防灾措施，最大程度减小由于爆炸引起的连锁反应所造成的人员和经济损失[2]。

本文通过描述液化石油气与甲烷两种可燃气体发生爆炸时，浓度与最小点火能大小之间的关系，得出两种可燃气体的最小点火能，为现实生活中预防两种可燃气体发生意外爆炸提供理论依据。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1国外研究现状

有关可燃性气体爆炸极限的研究,国外进行得比较早。

（1）最早提出测定气体与可燃蒸气爆炸极限的是美国矿山局的Coward 及Jone 发表的《气体和蒸气燃烧范围》的报告，其中介绍了一种测定气体爆炸极限的装置，此装置常被后人作为试验的标准装置使用。

（2）1965 年美国矿山局的Zabetakis发表了《可燃性气体及蒸气的可燃特性》一文,指出Coward 使用的装置所存在的问题，并设计了采用电火花点火、直径5 cm、长125～150 cm的垂直玻璃管[1]，利用传播法进行常压下气体爆炸极限的测定。

（3）一些国家如前苏联、日本等国，基于美国矿山局研制的装置，改进并制作了一些新装置，这些装置的特点是:爆炸容器为管状，采用电火花点火，能广泛进行气体爆炸极限的测试,但不适于研究气体的爆炸特性（爆炸压力和压力上升速率）。

（4）随后Blanc，Guest，V onelbe，Lewis等人利用电容放电对可燃气体最小发火能的测定装置改进，根据ASTME582--1988（可燃气体混合物最小点燃能量和灭火距离标准测试方法》规定，制作了一套装置，用来测试可燃气体的最小点火能。

（5）1996年Adolf KUhner AG设计20 L球形爆炸测试装置，既能测试可燃气体（液体蒸气）爆炸极限，又能测试最小点火能，并且配气系统采用循环混合使配气更均匀，整个系统由计算机控制，能测试室温到230℃内可燃气体（液体蒸气）的爆炸特性。

（6）T. K.Subramaniam 和Joseph V. CangelosiE （1989）对可燃性气体/空气混合物用氮气进行稀释，当爆炸上下限会聚到一点，用此时的氧浓度来表示最大安全百分氧浓度，并预测了最大安全百分氧浓度的值[1,3]。

（7）J . Lee于1985年通过引进化学反应度λ提出了密闭容器中爆炸发展的一般模型,该模型较为详细地描述了容器内气体爆炸发展过程的3个阶段：点火前容器内初始状态，点火后气体燃烧状况和火焰面达到容器壁面的状况。

1.2.2国内研究现状

国内的一些研究机构也对可燃性气体爆炸特性的测定做了大量研究。

（1）公安部天津消防研究所设计了一套采用交流电火花点火、容积为1 m3的圆柱形硬质玻璃爆炸反应器，宋景文等用其测试并制定了单元气体的国家爆炸极限指标。

（2）沈阳消防研究所设计了一套采用电容电火花点火、容积为300 cm3的有机玻璃爆炸反应器，采用预混式配气方式，测定航空煤油最小点火能[1,2,4]。

（3）天津大学田贯三等人设计了采用电极放电点火、长1400 mm、内径60 mm、底部装有泄压塞的硬质玻璃爆炸反应器,用于测定可燃性环保制冷剂的爆炸极限。

（4）西安交通大学鞠飙等人设计了一套精度较高的可对温度在10～80 ℃、压力在0.1～1 MPa 内的可燃气体的爆炸极限测定的爆炸反应器，用于测定可燃性环保制冷剂的爆炸极限。黄超等人利用容积为20 L 的等圆柱形不锈钢爆炸容器对烷烃在高温条件下的爆炸极限进行了测定,得出了爆炸上下限与温度之间的定性关系。

（5）华北工学院张景林等人利用设计的实验装置，对液化石油气、甲醇裂解气等进行抑爆技术的研究，测定了一些可燃性气体的爆炸特性参数和可燃性气体最大试验安全间隙等。谭迎新等人对可燃气体爆炸特性参数的测定方法进行了研究，测定了几种可燃气体的爆炸极限和最小点火能数据。丁锁根等人研究了合成氨工艺气的爆炸极限、爆炸特性参数以及支链爆炸的影响因素等[1,3,5]。

（6）浙江师范大学胡耀元为测定氮肥工业多元爆炸性混合气体设计了一套精度较高的实验系统，研究混合气体的浓度爆炸极限、爆炸形态与波形及其影响因素。

（7）邬烈豪利用柯瓦德爆炸三角形来说明煤矿井下瓦斯爆炸界限与氧含量的关系。万成略、汪莉就焦炉煤气安全含氧量进行了研究，用化学计算法和作图法简便计算理论氧浓度和临界氧浓度,提出焦炉煤气含氧量安全限值接近4 %。

（8）张增亮等人通过实验研究煤气和十氢化萘的最大允许氧含量的规律,指出爆炸极限和最大允许氧含量两者从不同角度界定了可燃气体（蒸气）的爆炸范围。谭迎新、傅志远等人分别对十氢化萘在固定浓度下的最小氧含量和人工煤气、液化石油气的临界氧浓度进行了实验测定，并对可燃性气体（蒸气）临界氧浓度的影响因素进行了研究。

1.2.3课题研究的发展趋势

开展可燃性气体爆炸方面的实验、理论和数值模拟的研究，对于有效地预防和控制此类事故的发生，降低事故中的人员伤亡和减少财产损失具有重要的指导意义。

但到目前为止，还不能准确地预测实际生产过程中某些可燃气体的爆炸极限，对多元可燃性气体（如煤气、天然气、瓦斯等）爆炸极限的研究更是相对较少，特别是温度、压力、惰性气体含量及点火能量的大小对混合气体的影响规律缺乏系统的研究。虽然在理论上可以估算混合气体的爆炸极限，但与实际情况相距甚远。因此，在今后应当将如下方面作为研究方向[1,2,5]:

（1）借助于化学动力学和爆炸力学,进一步研究多元可燃性气体的爆炸机理,尤其要掌握外界因素对爆炸的影响,建立多元可燃性气体爆炸的数学模型和普适性的经验计算式。

（2）测定多元可燃性气体的爆炸极限，研究温度、压力、惰性气体含量及点火能量对爆炸极限的影响和多元可燃性气体的最小点火能。

（3）建立多元可燃性气体爆炸加速过程实验测试系统，研究管道内障碍物面积、数量及阻塞比、点火源强度、湍流度等因素对多元可燃性气体爆炸加速的影响。

（4）加强多元可燃性气体爆炸的数值模拟研究。数值模拟可以克服实验技术上存在的困难，目前关键是解决爆炸传播过程中气体状态参数变化特征和化学反应表达式和数值方程耦合的问题。这些问题的解决从目前来看，还主要依赖实验手段。

1.3研究课题内容

1.3.1课题研究的目标

课题研究的主要目标是对可燃气体爆炸极限影响因素进行研究，主要包括惰性介质、最小点火能等方面，分析其影响规律，提出控制其爆炸的措施。

1.3.2拟解决的关键问题

课题研究拟解决的关键问题：从惰性介质、最小点火能等方面分析影响液化石油气、甲烷爆炸极限的规律。

1.3.3 研究方案的确定

（1）研究方法

本课题采用文献研究法和实验法进行研究。通过对文献资料的研究，了解了可燃气体爆炸极限的影响因素，并通过实验运用控制变量法、分析比较法具体地研究最小点火能及惰性气体两种因素是如何影响可燃气体爆炸极限的，并针对得出的结论，提出预防可燃气体爆炸措施。

（2）研究路线

具体研究路线见图1.1。

图1.1 研究路线

2 可燃气体爆炸基本知识

2.1爆炸及其分类 2.1.1爆炸概念

爆炸是一种急剧的物理或化学变化过程，一种在限制状态下系统潜能突然释放并转化为机械能而对周围介质发生作用的过程，一般可以看作是气体或蒸汽在瞬间剧烈膨胀的现象[6,7]。爆炸通常可划分为两个阶段：（1）气体和能量在极短时间和有限体积内产生、积累、造成高温、高压[8]；（2）在无约束或者约束受到破坏的情况下，积累的高温、高压对系统外部形成急剧突跃的压力的冲击，造成机械性破坏作用，周围介质受到震动产生声响[9,10]。

爆炸伴随着巨大的能量释放，其表现的破坏形式也有多种，冲击波是爆炸最直接、最主要的破坏力量，爆炸的绝大部分能量都以冲击波的形式表现出来[11,13]；如果是容器发生爆炸，一部分能量会驱动容器破裂产生的碎片对外界目标形成打击作用，工业中的爆炸事故通常伴随有碎片打击伤害[14,15]；除了冲击波和碎片两种直接的伤害形式外，爆炸还可以导致一些间接的破坏，在冲击波或碎片的作用下，建（构）筑物常常会发生结构破坏甚至坍塌，对建构）筑物内的人员、设备造成伤害[16]；一些类型的爆炸有可能引燃附近的易燃物质引起火灾，如果爆炸的容器内含有毒害物质或者爆炸产生的冲击波和碎片导致周围盛装毒害物质的容器发生破裂，亦会导致中毒事故的发生[17]。 2.1.2爆炸的分类

按照不同的划分方式，爆炸可以划分为多种类别[18]。 （1）按照爆炸能量的来源分

①物理爆炸

由物理变化而引起的，物质因状态或压力发生突变而形成爆炸的现象称为物理爆炸。例如容器内液体过热气化引起的爆炸、锅炉的爆炸、压缩气体、液化气体超压引起的爆炸等。物理爆炸前后物质的性质及化学成分均不改变[19,20]。

②化学爆炸

由于物质发生极迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸称为化学性爆炸。化学爆炸前后物质的性质和成分均发生了根本的变化。化学爆炸按爆炸时所产生的化学变化，可分三类[19]。

i 、简单分解爆炸

引起简单分解爆炸的爆炸物在爆炸时并不一定发生燃烧反应，爆炸所需的热量，是由于爆炸物质本身分解时产生的。属于这一类的有叠氮铅、乙炔银、乙炔酮、碘化氮、氯化氮等[19]。这类物质是非常危险的，受轻微振动即引起爆炸。如:

263N Pb PbN +??→?振动

............................................（1） 22332CL N NCL +?→?.. (2)

ii 、复杂分解爆炸

这类爆炸性物质的危险性较简单分解爆炸物低，所有炸药均属之[19]。爆炸时伴有燃烧现象。燃烧所需的氧由本身分解时供给。各种氮及氯的氧化物、苦味酸等都是属于这一类。

222325325.05.13)(O N CO ONO H C ++??→?引爆.........................（3） iii 、爆炸性混合物爆炸

爆炸性混合物是指至少由两种化学上不相联系的组分所构成的燃爆系统。所有可燃气体、蒸气及粉尘与空气混合所形成的混合物的爆炸均属于此类。这类物质爆炸需要一定条件，如爆炸性物质的含量，氧气含量及激发能量等。因此其危险性虽较前两类为低，但极普遍，造成的危害性也较大[21,22]。

③核爆炸

某些物质的原子核发生裂变或聚变的链式反应，在瞬时释放出巨大能量，形成高温高压并辐射多种射线，这种反应称为核爆炸[23]。 （2）按爆炸物的相态分

①气相爆炸

爆炸物为气态，包括可燃性气体和助燃性气体混合物的爆炸、气体的分解爆炸、喷雾爆炸、可燃粉尘的爆炸等。根据气体爆炸发生的环境，可以将气体爆炸分为受限爆炸和非受限爆炸，两者表现出差别巨大的爆炸效应，在完全无约束的情况下，预混气体被点燃后，更多表现为闪火，几乎完全没有压力效应，而对于高度约束的混合气体，如弥散在高密集装置区内的油气，则会表现出十分显著的压力效应，极端情况下，甚至会产生剧烈的爆轰现象；粉尘爆炸和喷雾爆炸是工业中常见的另外两种爆炸事故，尽管其爆炸物质分别属于固相和液相，但由于其微小的粒径及与气云爆炸及其相似的爆炸性状，一般也划分气相爆炸[21]。

②液相爆炸

包括聚合爆炸、蒸发爆炸以及由不同液体混合所引起的爆炸，如通常所讲的液体炸药爆炸。

③固相爆炸

包括爆炸性物质的爆炸、固体物质混合引起的爆炸以及由电流过载所引起的电缆爆炸等。常规的炸药多属于此类。 （3）按爆炸速度分

爆炸从本质上讲是一种快速的化学反应，反应速度越快，短时间内积聚的能量就越高，对周围环境产生的伤害也越大，所以反应速度（爆炸速度）是衡量爆炸的一个重要指标，按照爆炸速度的高低，可以将爆炸划分为轻爆、爆炸和爆轰三个类别[24]。

轻爆：通常系指传播速度为每秒数十厘米至数米的爆炸过程。 爆炸：指传播速度为十米至数百米的爆炸过程。 爆轰：指传播速度为一千米至数千米的过程。 2.2可燃气体爆炸

可燃气体爆炸是工业中最常见的一种爆炸事故形式，根据爆炸气体的组成情况，爆

炸一般可以划分为两大类别，一类是单一气体分解爆炸，一类是混合气体爆炸。

2.2.1单一气体分解爆炸

某些气体在特定条件作用下，会发生剧烈的分解反应，并伴随着剧烈的放热现象，甚至引发爆炸。例如乙炔、乙烯、环氧乙烷、乙烯基乙炔、丙炔、氯乙烯、氮氧化物、臭氧等都可能产生这种现象[24]。例如，乙烯在特定情况下会发生分解爆炸，方程式为：

(

4

)

?→

?固 (4)

4

+

2+

.

52

KJ

m o l

C

CH

H

56

C/

单一气体的爆炸受到多方面因素的影响，一般压力越高，越容易发生分解爆炸，每种易分解气体都具有一个临界压力，超过对应的临界压力，才可能发生分解爆炸事故。温度是影响分解爆炸的另一个影响因素，温度越高，物质越容易发生分解，分解爆炸的可能性越高；与固体炸药等相似，除非压力和温度足够高，气体的分解爆炸均需要一个初始的能量来激发，通常称此能量为“最小点火能”或“点火能”，最小点火能越低，说明这种气体发生分解爆炸的危险性越高，其数值往往随温度和压力的升高而降低。

2.2.2混合气体爆炸

可燃气体（蒸气）由于各种原因与空气（用氧气或其他助燃气体）混合后，在一定的浓度配比范围内，如果遇到点燃能量，就可能形成混合系的爆炸。

根据混合气体形成原因及地点的不同，可将工业中混合气体的爆炸分为如下几种[24]。

（1）可燃气体容器内进人空气、氧气等引发爆炸

工业气体常以高压的方式储存于容器中，在充装的过程中，如果由于各种原因导致空气或者氧气混人，预混的气体可能会在各种形式能量的作用下发生爆炸。

（2）可燃气体燃烧中断引发爆炸

工业生产中，常使用可燃气体作为燃料为系统提供能量，可燃气体经由喷嘴进人炉膛形成稳定的火焰加热各种介质，如果发生意外熄火而可燃气体继续喷人的情况，就会在炉膛内形成一个封闭空间的可燃爆混合系，一旦再次点火，则会发生爆炸；高压可燃气体（或液化气）如果发生小口径破裂，往往形成喷射火焰，此时不应贸然灭火，否则也会发生因燃烧中断，可燃气体（蒸气）形成混合气体爆炸的严重事故。

（3）易燃气体或挥发性液体大量泄漏于室外形成气云爆炸（VCE）

易燃气体或挥发性液体容器或管线发生破裂后，与空气混合，形成燃爆预混系，如果恰好有点火源存在，则会形成所谓的气云爆炸事故，其爆炸威力受燃料种类、气云浓度、气云受限程度、点火能量等因素影响，可能会导致灾难性的后果。

（4）气体或挥发性液体泄漏在室内或低洼、不通风处积累引起爆炸

泄漏发生在室外时，由于大气湍流扩散等原因，往往需要具有较大的泄漏流量才会形成足够规模的混合气云，继而引发爆炸事故;但如果泄漏发生在室内或低洼、不通风的场所，可燃气体可能会由于重力作用等原因而得不到及时扩散，即便是很小的泄漏流量也会由于积累作在局部区域形成高浓度区，遇到火源形成爆炸事故。

2.3 爆炸极限的概念

可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（或氧气）必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气体，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限[25]，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在小于爆炸下限时候不会发生爆炸也不会发生着火；而同样在高于爆炸上限时也不会发生燃烧、爆炸。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大的爆炸威力。

爆炸极限是在常温、常压等标准条件下测定出来的，这一范围会随着初始温度、压力、氧含量、惰性介质、点火能、容器材质及尺寸等条件的变化而有所变化。

2.4液化石油气基本知识

2.4.1液化石油气组成成分

液化石油气的主要组成成分是碳氢化合物，主要成分为丙烷、丁烷以及其他烷系或烯类等。丙烷加丁烷百分比的综合超过60%，低于这个比例就不能称为液化石油气[26]。标准液化石油气样品的组分百分含量具全数据见表3.1。

表3.1 标准液化石油气样品的组分百分含量（%）

2.4.2液化石油气理化性质

液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。其理化性质如下：

成分：较多：“丙烷、丁烷”。较少：“乙烯、丙烯、乙烷丁烯”等。

外观与性状：无色气体或黄棕色油状液体有特殊臭味。

密度：液态液化石油气580kg/立方米，气态密度为：2.35kg/每立方米

闪点（℃）：-74

引燃温度（℃）：426～537

爆炸上限%（V/V）：9.5

爆炸下限%（V/V）：1.5

燃烧值：45.22～50.23MJ/kg

2.4.3液化石油气危险特性

液化石油气的主要组成成分为烷系或烯类物质，极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和明火就会发生爆炸燃烧等，而一旦与氯、氟接触发生的化学反应会相当剧烈，空气比其蒸气轻，能从较低的地方扩散得相当远，遇火源则会着火回燃。

2.5甲烷基本知识

2.5.1甲烷理化性质

甲烷是最简单的有机物，别名：天然气，沼气。也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，是沼气，天然气，瓦斯，坑道气和油田气的主要成分，结构与氯仿（三氯甲烷）相似。甲烷是无色、无味的气体。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很小，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，能溶解3个单位体积的甲烷。同时甲烷燃烧产生明亮的淡蓝色火焰。其理化性质如下：

熔点：-182.5℃

沸点：-161.5℃

蒸汽压53.32kPa/-168.8℃

饱和蒸气压（kPa）：53.32（-168.8℃）

相对密度（水=1）0.42（-164℃）

相对蒸气密度（空气=1）：0.5548（273.15K、101325Pa）

燃烧热：890.31KJ/mol

总发热量：55900kJ/kg（40020kJ/m3）

净热值：50200kJ/kg（35900kJ/m3）

临界温度（℃）：-82.6

临界压力（MPa）：4.59

爆炸上限%（V/V）：14.8

爆炸下限%（V/V）：5.0

闪点（℃）：-188

引燃温度（℃）：538

分子直径：0.414nm

标准状况下密度为0.717g/L，极难溶于水。

甲烷在相应条件下可发生取代、氧化、加热分解、氯化、卤化等化学反应。

2.5.2甲烷危险特性

甲烷易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧[27]及其它强氧化剂接触反应剧烈。甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。

3 可燃气体爆炸实验研究

3.1爆炸实验装置

3.1.1可燃气体爆炸实验图

可燃气体爆炸实验图，具体见图3.1。

图3.1 可燃气体爆炸实验图

3.1.2可燃气体爆炸箱

爆炸箱如图3.2所示，可燃气体爆炸箱是一长方体，其中有一面是敞开的自由面，实验前将该自由面糊上白纸（或报纸），使该爆炸箱成为一个密闭的受限空间，可燃气体（液化石油气、甲烷）通过进气管进入箱体内部。箱体内部顶端装有一防爆风扇，通入可燃性气体之后，立即打开风扇，使箱体内气体混合均匀，箱体右侧中部有一点火能装置，提供不同能量的电火花。爆炸箱体的五个外表面用是有机玻璃制成的，具体规格、尺寸见下表3.1。

表3.1 装置的材料及规格

名称长cm 宽cm 高cm 材料

爆炸箱50 50 70 （厚2cm）

图3.2可燃气体爆炸箱简图

图3.3 可燃气体爆炸箱实物图

3.1.3点火能调节装置

实验室条件下所使用的点火能装置为：EPT-5点火能量试验台，其提供了四种不同电容量的按钮，分别有15pF 、30pF 、75pF 、150pF ，可根据实验的要求选择不同的电容量，试验台右侧有一旋转按钮，可提供不同大小的电压，其取值范围为：5kV ～15kV ,根据电容、电压、电量之间的关系：

电压电容电量?= (5)

该点火能量试验台可提供点火能量最大值为：30.36mJ 实验装置如图3.4，图3.5所示：

图3.4点火能调节装置简图

电容调节按钮

图3.5点火能调节装置实物图

3.1.4可燃气体供给装置

可燃气体供给装置可提供的气源有：液化石油气、甲烷、氮气、氧气等，通过不同的开关选择不同的气体通入爆炸箱内，进行实验。具体见图3.6。

图3.6可燃气体供给装置实物图

3.1.5流量调节装置

实验室中使用的三种气源为：液化石油气、氮气、氧气、其中使用到的流量计为转子流量计。向可燃气体爆炸箱内通入不同浓度气体之前，先根据需要通入的浓度，计算出通入爆炸箱内气体的量，然后根据转子流量计的读数计算出需要通入气体的时间。实验条件下，由于需要通入气体量较小且为了方便计算，转子流量计的读数一般设定成0.4m3/h或0.8m3/h。

流量调节装置实验图，具体见图3.7，图3.8。

图3.7 流量调节装置简图

图3.8流量调节装置实物图

3.2主要设备列表

实验室条件下所使用仪器设备列表如下表3.2所示。

表3.2设备列表

序号 设备名称 备注

1 可燃气体爆炸箱 50×50×70cm 、五面玻璃、一面泄压面

2 气源供给装置 液化石油气、甲烷、氧气、氮气

3 点火装置 EPT-5点火能量试验台

4 流量计 LZB-10玻璃转子流量计（m 3/h ） 5

防爆风扇

D-8401型-W 多功能电动搅拌机

转子流量计

氧气

氮气

液化石油气

4数据分析原理

4.1线性回归分析

在生产过程和科学实验中，总会遇到多个变量，同一过程中的这些变量往往是相互依赖、相互制约的，也就是说它们之间存在相互关系，这种相互关系可以分为两种类型：确定性关系和相关关系。

当一个或几个变量取一定值时，另一个变量有确定值与之相对应，也就是说变量之间存在着严格的函数关系，这种关系就称为确定性关系。当一个或几个相互关系的变量取一定数值时，与之对应的另一变量的值虽然不确定[28]，但它仍按某种规律在一定的范围内变化，变量之间的这种关系称为相关关系。

变量之间的确定性关系和相关关系，在一定的条件下是可以相互转换的。本来具有函数关系的变量，当存在试验误差时，其函数关系往往以相关的形式表现出来[29]。相关关系虽然是不确定的，却是一种统计关系，在大量的观察下，往往会呈现出一定的规律性，这种规律性可以通过大量试验值的散点图反映出来，也可以借助相应的函数式表达出来，这种函数称为回归函数或回归方程[30]。回归分析是一种处理变量之间相关关系最常用的统计方法，用它可以寻找隐藏在随机性后面的统计规律。确定回归方程，检脸回归方程的可信性等是回归分析的主要内容[29]。

回归分析的类型很多。研究一个因素与试验指标间相关关系的回归分析称为一元回归分析；研究几个因素试验指标间相关关系的称为多元回归分析。

一元线性回归分析又称直线拟合是处理两个变量[29]之间关系的最简单模型。 设有一组试验数据，试验值为i i y x ,（i=1,2,...n ）,其中x 是自变量，y 是因变量。若y x ,符合线性关系，或已知经验公式为直线形式，都可拟合为直线方程，即：

i i x b a y

??+= 上式就是变量y x ,的一元线性回归方程，式中a,b 称为回归系数；i y ?是对应自变量i x 代入回归方程的计算值，称为回归值。根据最小二乘法，可以得到：

(6)

(7)

式中，y x ,分别为试验值i i y x ,（i=1,2,...,n ）的算术平均值。

xx xy L L b = 21

2)(x n x L n i i xx -=∑= y x n y x L n

i i i xy ∑=-=1

4.2 黄金分割法

优选法就是根据生产和科研中的不同问题，利用数学原理，合理地安排试验点，减

??y bx a =+???∑∑∑∑n

n

i

i i

i

i=1

i=1

n

n

2

2

2i

i

i=1i=1(x

-x)(y -y)

x -nxy

b

==

,

(x

-x)

x

-nx

a =y -bx y

{

少试验次数，以求迅速地找到最佳点的一类科学方法。优选法可以解决那些试验指标与因素间不能用数学形式表达，或虽有表达式但很复杂的那些问题[30]。

所谓黄金分割即0.618法，指的是把长为L 的线段分为两部分，使其中一部分对于全部之比等于另一部分对于该部分之比，这个比例就是0. 6180339887,它的三位有效近似值就是0.618,所以黄金分割法又称为0.618法[8]。黄金分割法（见图4.1），

图4.1 黄金分割法示例

就是将第一个试验点X 1安排在试验范围内的0. 618处（距左端点a ），即:

618.0)(1?-+=a b a x

得到实验结果)(11x f y =；再在X 1的对称点X 2，即:

382.0)(618.0)(2?-+=?--=a b a a b b x

作一次试验，得到试验结果)(22x f y =；比较结果)(11x f y =及)(22x f y =哪个大，如果)(1x f 大，就去掉),(2x a ，如图6.1所示，在留下的),(2b x 中已有了一个试验点1x ，然后再用以上的求对称点的方法做下去，一直做到达到要求为止。

在黄金分割法中，不论是哪一步，所有相互比较的两个试验点都在所在区间的两个黄金分割点上，即0.618和0.382处，而且这两个点一定是相互对称的。