CN110082392B - 高压爆炸极限测量装置及基于该装置的摩尔分数配气方法 - Google Patents

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Abstract

高压爆炸极限测量装置及基于该装置的摩尔分数配气方法，包括爆炸容器、压缩空气储罐以及一个或多个可燃气体配气组件；其中，爆炸容器与压缩空气储罐之间通过压缩空气进气管相连，每个可燃气体配气组件均与爆炸容器相连；爆炸容器与压缩空气储罐上均设置有温度测量部件、温度控制部件以及压力传感器。本发明可以精确获取可燃物在其与空气混合物中精确的摩尔分数，解决了爆炸极限实验研究自最开始至今都无法精确定量表征的问题。对于可燃性气体，通过建立其精确的专用状态方程，尤其是Helmholtz状态方程，也可以精确得到混合物的摩尔分数。

Description

高压爆炸极限测量装置及基于该装置的摩尔分数配气方法
技术领域
本发明涉及可燃性气体与液体蒸气安全性指标的测量，特别涉及到一种可燃性气体及可燃性气-液混合物高压爆炸极限测量装置及基于该装置的摩尔分数配气方法，可以用于可燃性气体与液体的安全性研究工作。
背景技术
爆炸极限是表征气体与液体蒸气可燃性最重要的指标之一，表示其在空气中可以发生燃烧的浓度范围。不同的可燃性物质，其爆炸极限数据均不相同，且在不同的初始温度和压力条件下，可燃性物质的爆炸极限的大小均不相同。爆炸极限作为可燃性物质重要性质和安全性分析的数据，在实际能源、化工、化学、消防、制药等领域具有重要的应用价值。
目前测量可燃性物质爆炸极限的方法分为观测法与测压法两种，其中观测法主要用于初始压力为常压下爆炸极限的测量，测压法则可以测量物质在不同初始压力条件下的爆炸极限。目前关于可燃性物质爆炸极限的研究大多局限在可燃性气体的研究，而对于可燃性液体爆炸极限的研究则较为少见。同时，通过对国内外文献的调研，尚未发现可燃性气体-液体混合物爆炸极限的实验研究报导。
已有的爆炸极限测量装置在测量时，若可燃性物质为气体，通过理想气体分压定律计算得到可燃气体在其与空气混合物中的体积分数；若可燃性物质为液体，通过理想气体状态方程的计算方法得到可燃性液体在其与空气混合物中的体积分数，通过该体积分数进行配气后再进行点火试验。在使用该体积比的配气方法时，若可燃性气体或液体蒸气与理想气体较为接近，其配气具有一定的准确度；然而，若可燃性气体或液体蒸气与理想气体相差较大时，使用该配气方法得到体积比则与可燃性物质在其温度和压力条件下实际的体积比具有较大的偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压爆炸极限测量装置及基于该装置的摩尔分数配气方法。
为实现上述目的，本发明采用以下的实验方案来实现：
一种高压爆炸极限测量装置，包括爆炸容器、压缩空气储罐以及一个或多个可燃气体配气组件；
其中，爆炸容器与压缩空气储罐之间通过压缩空气进气管相连，每个可燃气体配气组件均与爆炸容器相连；
爆炸容器与压缩空气储罐上均设置有温度测量部件、温度控制部件以及压力传感器。
本发明进一步的改进在于，所述的爆炸容器为球形金属容器，爆炸容器的侧壁安装多个爆破片，爆破片为焊接式，爆破压力为30-100MPa；爆炸容器侧壁还安装有铠装热电偶，铠装热电偶为K分度，铠装部分伸入爆炸容器内部，测量端位于球体中心附近；
爆炸容器外侧还缠绕有第二加热带，压缩空气储罐外侧缠绕有第一加热带，第二加热带和第一加热带均分别由多根加热带组成，分别缠绕在爆炸容器和压缩空气储罐外侧不同的高度位置处，每根第二加热带与爆炸容器之间布置有多支第六铂电阻温度计，每根第一加热带与压缩空气储罐之间布置有多支第五铂电阻温度计，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制加热带的加热功率，从而控制爆炸容器和压缩空气储罐内部气体的温度。
本发明进一步的改进在于，爆炸容器顶部设置有端盖，端盖上设置有点火部件；点火部件包括密封件、点火电极和熔断丝；点火电极伸入到爆炸容器内部，熔断丝设置在点火电极底端，点火电极与端盖之间通过密封件进行密封；密封件与点火电极之间通过玻璃烧结的方式绝缘；
密封件为外螺纹结构的金属材料，由外螺纹与端盖连接并密封；点火电极为不锈钢材料，点火电极由输出电压为110-120V的隔离变压器供电；熔断丝为铜丝。
本发明进一步的改进在于，端盖上还设置有液体进样口，液体进样口处设置有液体进样装置，液体进样装置包括进液密封垫、液体进样堵头、爆炸密封垫和密封堵头；进液密封垫设置在液体进样口内，进液密封垫上设置有液体进样堵头，液体进样堵头顶部设置有爆炸密封垫，爆炸密封垫上设置有密封堵头。
本发明进一步的改进在于，进液密封垫为硅橡胶或氟橡胶，液体进样堵头为环形柱状金属材料，外圆外侧为外螺纹结构，液体进样堵头位于液体进液口下端，液体进样堵头采用马氏体不锈钢材料制作，爆炸密封垫为硅橡胶或为氟橡胶，爆炸密封垫为平垫或O型圈；密封堵头为外螺纹金属材料堵头。
本发明进一步的改进在于，压缩空气储罐为长圆柱体金属容器，压缩空气储罐内部设置有多支第一铂电阻温度计测量；压力传感器包括第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器；
第一压力传感器安装在压缩空气储罐顶部，用于测量压缩空气的进气量；第二压力传感器和第三压力传感器安装在爆炸容器的侧壁上，第三压力传感器用于测量爆炸极限测试的初始压力，第二压力传感器用于测量爆炸压力；
压缩空气进气管外侧采用保温材料包裹。
本发明进一步的改进在于，若测试可燃气体纯质的爆炸极限，可燃气体配气组件包括第一组分可燃气体配气组件；若测试二元混合气体的爆炸极限，可燃气体配气组件包括第一组分可燃气体配气组件和第二组分可燃气体配气组件；依次类推，若测试多于三元混合气体的爆炸极限，则根据需要增设更多的可燃气体配气组件；
其中，第一组分可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐，第一可燃气体储罐经过第八阀门与第一可燃气体气瓶相连；第一可燃气体储罐顶部设置有第四压力传感器，第一可燃气体储罐经过第十一阀门与爆炸容器相连；第一可燃气体储罐内部设置有多支第二铂电阻温度计，第一可燃气体储罐内部气体的温度采用多支第二铂电阻温度计测量，第一可燃气体储罐外壁面缠绕第三加热带，第三加热带由多根加热带组成，缠绕在第一可燃气体储罐外侧不同的高度位置处，第一可燃气体储罐外壁面与每根第三加热带之间布置有多支第七铂电阻温度计，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制每根加热带的加热功率，从而控制第一可燃气体储罐内部气体的温度；
第二组分可燃气体配气组件包括第二可燃气体储罐，第二可燃气体储罐经过第九阀门与第二可燃气体气瓶相连；第二可燃气体储罐顶部设置有第五压力传感器，用于测量可燃气体的进气量；第二可燃气体储罐经过第十二阀门与爆炸容器相连；第二可燃气体储罐内部设置有多支第三铂电阻温度计，第二可燃气体储罐内部气体的温度采用多支第三铂电阻温度计测量，第二可燃气体储罐外壁面缠绕第四加热带，第四加热带由多根加热带组成，缠绕在第二可燃气体储罐外侧不同的高度位置处，第二可燃气体储罐外壁面与每根第四加热带之间布置有多支第八铂电阻温度计，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制每根加热带的加热功率，从而控制第二可燃气体储罐内部气体的温度；
第三组分可燃气体配气组件包括第三可燃气体储罐，第三可燃气体储罐经过第十阀门与第三可燃气体气瓶相连；第三可燃气体储罐顶部设置有第六压力传感器，用于测量可燃气体的进气量；第三可燃气体储罐经过第十三阀门与爆炸容器相连；第三可燃气体储罐内部设置有多支第四铂电阻温度计，第三可燃气体储罐内部气体的温度采用多支第四铂电阻温度计测量，第三可燃气体储罐外壁面缠绕第五加热带，第五加热带由多根加热带组成，缠绕在第三可燃气体储罐外侧不同的高度位置处，第三可燃气体储罐外壁面与每根第五加热带之间布置有多支第九铂电阻温度计，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制每根加热带的加热功率，从而控制第三可燃气体储罐内部气体的温度；
爆炸容器经过第六阀门和第十一阀门与第一可燃气体储罐相连，经过第六阀门和第十二阀门与第二可燃气体储罐相连，经过第六阀门和第十三阀门与第三可燃气体储罐相连。
一种上述高压爆炸极限测量装置的单组元可燃性气体摩尔分数配气方法，当可燃气体配气组件为一个时，可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐，第一可燃气体储罐与爆炸容器相连；
首先标定压缩空气储罐与压缩空气进气管的总体积为Va，爆炸容器的体积为Vb，第一可燃气体储罐的体积为Vg；将压缩空气储罐、爆炸容器和第一可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T；将压缩空气充入压缩空气储罐至压力Pa1；将第一可燃气体储罐抽真空至0.1kPa以下，将可燃性气体充入第一可燃气体储罐至Pg1；将爆炸容器抽真空至压力Pb0，Pb0<1kPa，然后根据要试验的摩尔分数x0，估算所要注入可燃气体后的压力值P10；
向爆炸容器内充入可燃气体至所估算的压力值P10，记录实际充入的压力值P1，记录充入后第一可燃气体储罐的压力Pg2；然后将压缩空气充入爆炸容器至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐的压力Pa2；此时配气过程完成，但爆炸容器内可燃气体实际的摩尔分数与要试验的摩尔分数x0具有一定的偏差，爆炸容器内可燃气体的摩尔分数的计算步骤为：
(1)根据PR、维里以及Helmholtz实际流体状态方程建立可燃性气体的状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算爆炸容器抽真空后内部剩余的空气的物质的量nair0：
Figure BDA0002021388550000031
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)根据所建立的可燃气体的状态方程，计算充入可燃气体前，温度为T、压力为Pg0时第一可燃气体储罐内可燃气体密度ρgas1；计算充入可燃气体后，温度为T、压力为Pg1时第一可燃气体储罐内可燃气体密度ρgas2；
(5)计算充入爆炸容器内部可燃气体的物质的量ngas：
Figure BDA0002021388550000032
式中Mgas为可燃气体的摩尔质量；
(6)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐内空气的密度ρair2；
(7)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量nair1：
Figure BDA0002021388550000033
(8)计算可燃性气体精确的摩尔分数xgas：
Figure BDA0002021388550000034
一种基于上述高压爆炸极限测量装置的多组元可燃性气体摩尔分数配气方法，当可燃气体配气组件为多个时，可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐，第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均与爆炸容器相连；
首先标定压缩空气储罐与压缩空气进气管的总体积为Va，爆炸容器的体积为Vb，第一可燃气体储罐的体积为Vg1，第二可燃气体储罐的体积为Vg2，第三可燃气体储罐的体积为Vg3，…、第i可燃气体储罐的体积为Vgi、…，第n可燃气体储罐的体积为Vgn；将压缩空气储罐、爆炸容器、第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T；将压缩空气充入压缩空气储罐至压力Pa1；将第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均抽真空至0.1kPa以下，然后将n种可燃气体分别缓慢充入第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐至压力Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn；将爆炸容器抽真空至压力Pb0，Pb0<1kPa，然后根据要试验的摩尔分数x10、x20、x30、…、xi0、…、xn0，估算所要注入第i种可燃气体后爆炸容器1内部的压力值P10、P20、P30、…、Pi0、…、Pn0；
向爆炸容器内分别充入第i种可燃气体至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，同时分别记录充入后第i种可燃气体后第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的压力Pg'1、Pg'2、Pg'3、…、Pg'i、…、Pg'n；然后将压缩空气充入爆炸容器至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐的压力Pa2；爆炸容器内可燃气体的摩尔分数计算步骤为：
(1)根据PR、维里以及Helmholtz实际流体状态方程建立每种可燃性气体的状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算爆炸容器抽真空后内部剩余的空气的物质的量nair0：
Figure BDA0002021388550000041
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)根据所建立的可燃气体的状态方程，计算充入可燃气体前，温度为T，压力分别为Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn的每种可燃气体的密度分别为ρgas1、ρgas2、ρgas3、…、ρgasi、…、ρgasn；计算充入可燃气体后，温度为T，压力分别为P’gas1、P’g2、P’g3、…、P’gi、…、P’gn的每种可燃气体的密度分别为ρ'gas1、ρ’gas2、ρ’gas3、…、ρ’gasi、…、ρ’gasn；
(5)计算充入爆炸容器内部每种可燃气体的物质的量
Figure BDA0002021388550000042
Figure BDA0002021388550000043
Figure BDA0002021388550000044
……
Figure BDA0002021388550000045
……
Figure BDA0002021388550000046
式中Mgas1、Mgas2、Mgas3、…、Mgasi、…、Mgasn为可燃气体的摩尔质量；
(6)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐内空气的密度ρair2；
(7)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量nair1：
Figure BDA0002021388550000047
(8)计算每种可燃性气体组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000048
Figure BDA0002021388550000049
Figure BDA0002021388550000051
……
Figure BDA0002021388550000052
……
Figure BDA0002021388550000053
(9)计算可燃性气体混合物精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000054
一种基于上述高压爆炸极限测量装置的多组元可燃性气-液混合物摩尔分数配气方法，当可燃气体配气组件为多个时，可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐，第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均与爆炸容器相连；
首先标定压缩空气储罐与压缩空气进气管的总体积为Va，爆炸容器的体积为Vb，第一可燃气体储罐的体积为Vg1，第二可燃气体储罐的体积为Vg2，第三可燃气体储罐的体积为Vg3，…、第i可燃气体储罐的体积为Vgi、…，第n可燃气体储罐的体积为Vgn；将压缩空气储罐、爆炸容器、第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T；将压缩空气充入压缩空气储罐至压力Pa1；将第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均抽真空至0.1kPa以下，然后将n种可燃气体分别缓慢充入第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐至压力Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn；
根据待试验的m种可燃性液体的摩尔分数xvap10，xvap20，xvap30，…，xvapi0，…，xvapm0，估算所需要注入的可燃性液体组分i的质量分别为m10，m20，m30，…，mi0，…，mm0；估算基于理想气体的状态方程：
Figure BDA0002021388550000055
式中Mvap,i为可燃液体组分i的摩尔质量；
将压缩空气充入压缩空气储罐至压力Pa1，将爆炸容器抽真空至压力Pb0，Pb0<2kPa，使用多支注射器分别吸入所估算质量mi0的各组分的可燃性液体，将其分别通过液体进样口注入爆炸容器，分别称量注射前后注射器的实际质量差分别为m1，m2，m3，…，mi，…，mn，使用第三压力传感器测量注射完所有可燃液体后爆炸容器内部的压力为Pb0，然后根据待试验的n种可燃气体的摩尔分数xgas10、xgas20、xgas30、…、xgasi0、…、xgasn0，估算所要注入第i种可燃气体后爆炸容器内部的压力值P10、P20、P30、…、Pi0、…、Pn0；
向爆炸容器内分别充入第i种可燃气体约至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，同时分别记录充入后第i种可燃气体后第一可燃气体储罐、第二可燃气体储罐、第三可燃气体储罐、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的压力P’g1、P’g2、P’g3、…、P’gi、…、P’gn；然后将压缩空气充入爆炸容器至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐的压力Pa2；爆炸容器内可燃气体的摩尔分数计算步骤为：
(1)根据PR、维里、Helmholtz实际流体状态方程建立每种可燃性气体的状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算爆炸容器抽真空后内部剩余的空气的物质的量nair0：
Figure BDA0002021388550000061
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)计算得到充入爆炸容器内部的各可燃液体组分i的物质的量nvapi；
Figure BDA0002021388550000062
(5)根据所建立的可燃气体的专用状态方程，计算充入可燃气体前，温度为T，压力分别为Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn的每种可燃气体的密度分别为ρgas1、ρgas2、ρgas3、…、ρgasi、…、ρgasn；计算充入可燃气体后，温度为T，压力分别为P’gas1、P’g2、P’g3、…、P’gi、…、P’gn的每种可燃气体的密度分别为ρ'gas1、ρ'gas2、ρ'gas3、…、ρ'gasi、…、ρ'gasn；
(6)计算充入爆炸容器内部每种可燃气体的物质的量
Figure BDA0002021388550000063
Figure BDA0002021388550000064
Figure BDA0002021388550000065
……
Figure BDA0002021388550000066
……
Figure BDA0002021388550000067
式中Mgas1、Mgas2、Mgas3、…、Mgasi、…、Mgasn为可燃气体的摩尔质量；
(7)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐内空气的密度ρair2；
(8)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000071
(9)计算每种可燃性液体组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000072
Figure BDA0002021388550000073
Figure BDA0002021388550000074
……
Figure BDA0002021388550000075
……
Figure BDA0002021388550000076
(10)计算每种可燃性气体组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000077
Figure BDA0002021388550000078
Figure BDA0002021388550000079
……
Figure BDA00020213885500000710
……
Figure BDA0002021388550000081
(11)计算可燃性液体混合物组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000082
(11)计算可燃性气体混合物组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000083
(12)计算可燃性气-液混合物组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000084
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于体积比无法精确表征混合物的实际比例，因此本发明弃用常规的体积比配气的方法，通过设置可燃气体储罐、压缩空气储罐以及一个或多个可燃气体配气组件，在国内外首次通过实验的方法，可以精确获取可燃物在其与空气混合物中精确的摩尔分数，解决了爆炸极限实验研究自最开始至今都无法精确定量表征的问题。由于使用空气的状态方程计算空气密度几乎不存在误差，因此混合物精确的摩尔分数非常容易获取，尤其是以质量进样量进行计算的可燃性液体蒸气。对于可燃性气体，通过建立其精确的专用状态方程，尤其是Helmholtz状态方程，也可以精确得到混合物的摩尔分数。
进一步的，本发明在爆炸容器、压缩空气储罐、可燃气体储罐的温度控制中，均使用分段控制的方式，解决了容器内部不同高度位置处气体温度差温度不均匀的问题，且在不同高度位置处均设置有温度传感器，使用其平均值作为实际温度，提高了测试结果的重复性和准确度。
进一步的，在常规的高压爆炸容器中，多使用泄压阀作为超压防护部件，泄压阀体积一般较大，使得爆炸容器结构复杂且密封困难。本发明在爆炸容器的设计中，使用多个爆破片作为泄压通道，爆破片位于爆炸容器壁上，无需额外占用空间。此外，采用焊接式爆破片，密封非常简单可靠，且其在超压保护中，可以迅速释放高压气体，提升保护作用。
进一步的本发明可以非常方便的实现可燃液体的进样。在观测法进样方法的基础上，将其改进并应用于测压法爆炸极限测量装置，使用橡胶膜代替橡胶块，解决了注射器难以扎透较厚橡胶块的问题，同时解决了使用普通橡胶密封盖时测试温度不能超过100℃的问题。本发明通过在进液密封垫与进样堵头外侧再添加高压密封堵头的方式，使得注射进样的方式可以成功应用于测压法爆炸极限测试装置中，使高压初始条件下可燃液体蒸气的进样量可以精确控制，从而实现爆炸极限的精确测试。
本发明可以同时测量可燃性气体与液体蒸气在不同的初始温度和压力条件下的爆炸极限，本方法弃用体积分数，提出一种通过摩尔分数进行准确配气的方法，彻底解决了体积分数无法准确表征可燃性物质浓度的问题，从而通过实验可以测量得到可燃性气体与蒸气准确的爆炸极限数据。本发明所提出的摩尔分数配气方法，由于是直接计算出每种物质精确的物质的量，因此对于多组元气体及气-液混合物，不受各气体组元分子间交互作用的影响，可以精确获取每种组分精确的摩尔分数，非常适合用于多组元混合物爆炸极限的表征和测试。
附图说明
图1为本发明的高压爆炸极限测量装置结构图。
图2为液体进样口结构图。
图3为根据本发明的摩尔分数配气方法所获得的异丁烷的摩尔分数和根据理想气体分压定律所获得的异丁烷的体积分数的比较图。
图4为根据本发明的摩尔分数配气方法所获得的正庚烷的摩尔分数和根据理想气体分压定律所获得的正庚烷的体积分数的比较图。
图5为根据本发明的摩尔分数配气方法所获得的甲烷的摩尔分数和根据理想气体分压定律所获得的甲烷的体积分数的比较图。
其中，1为爆炸容器，2为压缩空气储罐，3为第一组分可燃气体配气组件，4为第二组分可燃气体配气组件，5为第三组分可燃气体配气组件，6为第n组分可燃气体配气组件，7为空气增压泵，8为真空泵，9为端盖，10为密封件，11为点火电极，12为熔断丝，13为液体进样口，14为铠装热电偶，15为进液密封垫，16为液体进样堵头，17为爆炸密封垫，18为密封堵头，19为爆破片，20为第一压力传感器，21为第二压力传感器，22为第三压力传感器，23为第四压力传感器，24为第五压力传感器，25为第六压力传感器，26为第一铂电阻温度计，27为第二铂电阻温度计，28为第三铂电阻温度计，29为第四铂电阻温度计，30为第五铂电阻温度计，31为第六铂电阻温度计，32为第七铂电阻温度计，33为第八铂电阻温度计，34为第九铂电阻温度计，35为第一加热带，36为第二加热带，37为第三加热带，38为第四加热带，39为第五加热带，40为第一阀门，41为第二阀门，42为第三阀门，43为第四阀门，44为第五阀门，45为第六阀门，46为第七阀门，47为第八阀门，48为第九阀门，49为第十阀门，50为第十一阀门，51为第十二阀门，52为第十三阀门，53为压缩空气进气管，54为第一可燃气体气瓶，55为第二可燃气体气瓶，56为第三可燃气体气瓶，57为第一可燃气体储罐，58为第二可燃气体储罐，59为第三可燃气体储罐。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明提供的一种高压爆炸极限测量装置，包括爆炸容器1，压缩空气储罐2，空气增压泵7，真空泵8，温度测量部件，温度控制部件、点火部件以及一个或多个可燃气体配气组件。当可燃气体配气组件为一个时，可燃气体配气组件包括第一组分可燃气体配气组件3；当可燃气体配气组件为多个时，可燃气体配气组件包括可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐，第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均与爆炸容器1相连。
爆炸容器1、压缩空气储罐2、第一可燃气体储罐57，第二可燃气体储罐58和第三可燃气体储罐59上均设置有温度测量部件，温度控制部件以及压力传感器这三类部件。压力传感器包括第一压力传感器20、第二压力传感器21，第三压力传感器22、第四压力传感器23、第五压力传感器24和第六压力传感器25。
爆炸容器1通过压缩空气进气管53与压缩空气储罐2相连，压缩空气储罐2经过第一阀门40与空气增压泵7相连。空气增压泵7经过第三阀门42与爆炸容器1相连，并且压缩空气进气管53上设置有第二阀门41；真空泵8通过第五阀门44与爆炸容器1相连，爆炸容器1上设置有第七阀门46，点火后爆炸容器1内部的气体经过第七阀门46排向外界。
本发明中爆炸容器1为球形金属容器，内部容积为19-21L，壁厚为10-50mm。爆炸容器1的侧壁安装3～5个爆破片19，爆破片19为焊接式，焊接式爆破片具有最小的体积，同时便于在球体侧壁上密封安装。爆破片19的内径为10～40mm，爆破压力为30-100MPa；爆炸容器1侧壁还安装有铠装热电偶14，热电偶为K分度，铠装部分外径为0.1-1mm，铠装部分长度为150-300mm，铠装部分伸入爆炸容器1球体内部，测量端位于球体中心附近。使用铠装热电偶14可以防止热电偶在高温燃烧时发生氧化，从而影响测量精度。同时，选用超细的铠装热电偶，还可以非常快速的测量燃烧过程中的动态温度变化过程。
爆炸容器1顶部设置有端盖9，端盖9上设置有点火部件。点火部件安装在端盖9的正中心位置处，点火部件包括密封件10，点火电极11和熔断丝12。点火电极11伸入到爆炸容器1内部，并且熔断丝12设置在点火电极11底端，点火电极11与端盖9之间通过密封件10进行密封；密封件10为外螺纹结构的金属材料，由外螺纹与端盖9连接并密封；密封件10与点火电极11之间通过玻璃烧结的方式绝缘，玻璃烧结的密封方式可以避免其他密封结构在高温下发生漏气的现象，同时提高点火部件的耐高压性；点火电极11为不锈钢材料，直径为2-5mm，点火电极11由输出电压为110-120V的隔离变压器供电；熔断丝12为铜丝，直径为0.05-0.1mm。
参见图2，端盖9上设置有液体进样口13，液体进样口13处设置有液体进样装置，参见图2，液体进样装置包括进液密封垫15、液体进样堵头16、爆炸密封垫17和密封堵头18。进液密封垫15设置在液体进样口13内，进液密封垫15上设置有液体进样堵头16，液体进样堵头16顶部设置有爆炸密封垫17，爆炸密封垫17上设置有密封堵头18。
进液密封垫15首选硅橡胶材料，也可为氟橡胶，进液密封垫15的直径为5-15mm，厚度为3-10mm，相对于普通橡胶材料，可以使用的最高温度可达300℃，同时其具有较好的韧性，选择3-10mm的厚度在针头穿刺后，能迅速恢复密封特性。液体进样堵头16为环形柱状金属材料，内圆直径为3-5mm，外圆直径为8-15mm，外圆外侧为外螺纹结构，在使用时，通过轻轻旋转液体进样堵头16的外螺纹压紧进液密封垫15即可实现爆炸容器1内部的真空密封，螺纹密封结构体积小巧且非常易于密封；液体进样堵头16位于液体进液口下端，使用导磁性的马氏体不锈钢材料制作，在更换进液密封垫15时可以由磁铁非常方便的取出。爆炸密封垫17首选硅橡胶材料或为氟橡胶材料，相对于其他密封材料，可以使用的最高温度可达300℃，同时其具有较好的韧性。爆炸密封垫17可为厚度3-10mm的平垫，也可为线径为1.8-6mm的O型圈；密封堵头18为外螺纹金属材料堵头。
压缩空气储罐2为长圆柱体金属容器，内部容积为30～60L，长径比为4～10:1，壁厚为3～30mm，选用较大的长径比可以承受更高的压力，提高储罐的安全性。同时，储罐较小的直径还可以消除直径较大时径向方向温度差较大的问题。
第一压力传感器20安装在压缩空气储罐2顶部，用于测量压缩空气的进气量；第二压力传感器21和第三压力传感器22安装在爆炸容器1的侧壁上，并且第三压力传感器22与爆炸容器1之间设置有第四阀门43；第三压力传感器22用于测量爆炸极限测试的初始压力，第二压力传感器21用于测量爆炸压力，以点火后第二压力传感器21测量得到的压力是否升高7％作为是否发生燃烧的判断标准。
爆炸容器1内部气体的温度采用铠装热电偶14测量；压缩空气储罐2内部气体的温度使用多支第一铂电阻温度计26测量，使用多支温度计的平均值作为实际温度，可有效提高温度测量的准确度。
爆炸容器1外侧缠绕有第二加热带36，压缩空气储罐2外侧缠绕有第一加热带35，第二加热带36和第一加热带35均分别由多根加热带组成，分别缠绕在爆炸容器1和压缩空气储罐2外侧不同的高度位置处，以防止单根加热带由于缠绕密度不均匀以及向外界散热量的不均匀所造成的容器内不同高度位置处温度的不同。每根第二加热带36与爆炸容器1之间布置有多支第六铂电阻温度计31，每根第一加热带35与压缩空气储罐2之间布置有多支第五铂电阻温度计30，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制加热带的加热功率，从而控制爆炸容器1和压缩空气储罐2内部气体的温度。
压缩空气进气管53外侧采用保温材料包裹。
根据测试需要，若仅测试可燃气体纯质的爆炸极限，可燃气体配气组件则仅需第一组分可燃气体配气组件3；若测试二元混合气体的爆炸极限，可燃气体配气组件需要第一组分可燃气体配气组件3和第二组分可燃气体配气组件4；依次类推，若测试多于三元混合气体的爆炸极限，则在第n组分可燃气体配气组件6的基础上，根据需要增设更多的可燃气体配气组件。
爆炸容器1经过第六阀门45和第十一阀门50与第一可燃气体储罐57相连，经过第六阀门45和第十二阀门51与第二可燃气体储罐58相连，经过第六阀门45和第十三阀门52与第三可燃气体储罐59相连。
第一组分可燃气体配气组件3包括第一可燃气体储罐57，第一可燃气体储罐57经过第八阀门47与第一可燃气体气瓶54相连；第四压力传感器23位于第一可燃气体储罐57顶部，用于测量可燃气体的进气量；第一可燃气体储罐57经过第十一阀门50与爆炸容器1相连；第一可燃气体储罐57内部设置有多支第二铂电阻温度计27，第一可燃气体储罐57内部气体的温度采用多支第二铂电阻温度计27测量，使用多支温度计的平均值作为实际温度，可有效提高温度测量的准确度；第一可燃气体储罐57外壁面缠绕第三加热带37，第三加热带37由多根加热带组成，缠绕在第一可燃气体储罐57外侧不同的高度位置处，以防止单根加热带由于缠绕密度不均匀以及向外界散热量的不均匀所造成的容器内不同高度位置处温度的不同；第一可燃气体储罐57外壁面与每根第三加热带37之间布置有多支第七铂电阻温度计32，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制加热带的加热功率，从而控制第一可燃气体储罐57内部气体的温度。
第二组分可燃气体配气组件4包括第二可燃气体储罐58，第二可燃气体储罐58经过第九阀门48与第二可燃气体气瓶55相连；第五压力传感器24位于第二可燃气体储罐58顶部，用于测量可燃气体的进气量；第二可燃气体储罐58经过第十二阀门51与爆炸容器1相连；第二可燃气体储罐58内部设置有多支第三铂电阻温度计28，第二可燃气体储罐58内部气体的温度采用多支第三铂电阻温度计28测量，使用多支温度计的平均值作为实际温度，可有效提高温度测量的准确度；第二可燃气体储罐58外壁面缠绕第四加热带38，第四加热带38由多根加热带组成，缠绕在第二可燃气体储罐58外侧不同的高度位置处，以防止单根加热带由于缠绕密度不均匀以及向外界散热量的不均匀所造成的容器内不同高度位置处温度的不同；第二可燃气体储罐58外壁面与每根第四加热带38之间布置有多支第八铂电阻温度计33，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制加热带的加热功率，从而控制第二可燃气体储罐58内部气体的温度。
第三组分可燃气体配气组件5包括第三可燃气体储罐59，第三可燃气体储罐59经过第十阀门49与第三可燃气体气瓶56相连；第六压力传感器25位于第三可燃气体储罐59顶部，用于测量可燃气体的进气量；第三可燃气体储罐59经过第十三阀门52与爆炸容器1相连；第三可燃气体储罐59内部设置有多支第四铂电阻温度计29，第三可燃气体储罐59内部气体的温度采用多支第四铂电阻温度计29测量，使用多支温度计的平均值作为实际温度，可有效提高温度测量的准确度；第三可燃气体储罐59外壁面缠绕第五加热带39，第五加热带39由多根加热带组成，缠绕在第三可燃气体储罐59外侧不同的高度位置处，以防止单根加热带由于缠绕密度不均匀以及向外界散热量的不均匀所造成的容器内不同高度位置处温度的不同；第三可燃气体储罐59外壁面与每根第五加热带39之间布置有多支第九铂电阻温度计34，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制加热带的加热功率，从而控制第三可燃气体储罐59内部气体的温度。
一种基于上述高压爆炸极限测量装置的单组元可燃性气体摩尔分数配气方法为：首先精确标定出压缩空气储罐2与压缩空气进气管53的总体积为Va，爆炸容器1的体积为Vb，第一可燃气体储罐57的体积为Vg。开启温度控制器，将压缩空气储罐2、爆炸容器1和第一可燃气体储罐57的温度同时设置为待测试的温度T。使用空气增压泵7将压缩空气充入压缩空气储罐2至压力Pa1。开启真空泵8将第一可燃气体储罐57抽真空至0.1kPa以下，将可燃性气体缓慢充入第一可燃气体储罐57至Pg1。使用真空泵8将爆炸容器1抽真空至压力Pb0(Pb0<1kPa)，然后根据要试验的摩尔分数x0，估算出所要注入可燃气体后的压力值P10，估算方法基于理想气体分压定律：
P10＝Pb0+x0P
式中P为待测试的初始压力。
向爆炸容器1内充入可燃气体约至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1，记录充入后第一可燃气体储罐57的压力Pg2。然后将压缩空气充入爆炸容器1至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐2的压力Pa2；此时配气过程完成，但爆炸容器内可燃气体实际的摩尔分数与要试验的摩尔分数x0具有一定的偏差，实际配气得到的摩尔分数的计算步骤为：
(1)根据PR、维里、Helmholtz等实际流体状态方程建立可燃性气体的专用状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的专用状态方程，计算出压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算出爆炸容器1抽真空后内部剩余的空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000121
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)根据所建立的可燃气体的专用状态方程，计算出充入可燃气体前，温度为T、压力为Pg0时第一可燃气体储罐57内可燃气体密度ρgas1；计算充入可燃气体后，温度为T、压力为Pg1时第一可燃气体储罐57内可燃气体密度ρgas2；
(5)计算充入爆炸容器1内部可燃气体的物质的量
Figure BDA0002021388550000122
式中Mgas为可燃气体的摩尔质量；
(6)使用REFPROP软件或空气的专用状态方程，计算出充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐2内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair2；
(7)计算充入爆炸容器1内压缩空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000123
(8)计算出可燃性气体精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000124
一种基于上述高压爆炸极限测量装置的多组元可燃性气体摩尔分数配气方法为：首先精确标定出压缩空气储罐2与压缩空气进气管53的总体积为Va，爆炸容器1的体积为Vb，第一可燃气体储罐57的体积为Vg1，第二可燃气体储罐58的体积为Vg2，第三可燃气体储罐59的体积为Vg3，…、第i可燃气体储罐的体积为Vgi、…，第n可燃气体储罐的体积为Vgn。开启温度控制器，将压缩空气储罐2、爆炸容器1、第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T。使用空气增压泵7将压缩空气充入压缩空气储罐2至压力Pa1。开启真空泵8将第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均抽真空至0.1kPa以下，然后将n种可燃气体分别缓慢充入第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐至压力Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn。使用真空泵8将爆炸容器1抽真空至压力Pb0(Pb0<1kPa)，然后根据要试验的摩尔分数x10、x20、x30、…、xi0、…、xn0，估算出所要注入第i种可燃气体后爆炸容器1内部的压力值P10、P20、P30、…、Pi0、…、Pn0，估算方法基于理想气体分压定律：
P10＝Pb0+x10P
P20＝P10+x20P
P30＝P20+x30P
……
Pi0＝P(i-1)0+xi0P
……
Pn0＝P(n-1)0+xn0P
式中P为爆炸极限测试的初始压力。
向爆炸容器1内分别充入第i种可燃气体约至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，同时分别记录充入后第i种可燃气体后第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的压力Pg'1、Pg'2、Pg'3、…、Pg'i、…、Pg'n。然后将压缩空气充入爆炸容器1至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐2的压力Pa2；此时配气过程完成，但爆炸容器内可燃气体实际的摩尔分数与要试验的摩尔分数具有一定的偏差，实际配气得到爆炸容器内可燃气体的摩尔分数的计算步骤为：
(1)根据PR、维里、Helmholtz等实际流体状态方程建立每种可燃性气体的专用状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的专用状态方程，计算出压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算出爆炸容器1抽真空后内部剩余的空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000131
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)根据所建立的可燃气体的专用状态方程，计算出充入可燃气体前，温度为T，压力分别为Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn的每种可燃气体的密度分别为ρgas1、ρgas2、ρgas3、…、ρgasi、…、ρgasn；计算出充入可燃气体后，温度为T，压力分别为P’gas1、P’g2、P’g3、…、P’gi、…、P’gn的每种可燃气体的密度分别为ρ'gas1、ρ'gas2、ρ'gas3、…、ρ'gasi、…、ρ'gasn；
(5)计算充入爆炸容器1内部每种可燃气体的物质的量
Figure BDA0002021388550000132
Figure BDA0002021388550000133
Figure BDA0002021388550000134
……
Figure BDA0002021388550000135
……
Figure BDA0002021388550000136
式中Mgas1、Mgas2、Mgas3、…、Mgasi、…、Mgasn为可燃气体的摩尔质量；
(6)使用REFPROP软件或空气的专用状态方程，计算出充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐2内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐2内空气的密度ρair2；
(7)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000141
(8)计算出每种可燃性气体组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000142
Figure BDA0002021388550000143
Figure BDA0002021388550000144
……
Figure BDA0002021388550000145
……
Figure BDA0002021388550000146
(9)计算出可燃性气体混合物精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000147
一种基于上述高压爆炸极限测量装置的多组元可燃性气-液混合物摩尔分数配气方法为，首先精确标定出压缩空气储罐2与压缩空气进气管53的总体积为Va，爆炸容器1的体积为Vb，第一可燃气体储罐57的体积为Vg1，第二可燃气体储罐58的体积为Vg2，第三可燃气体储罐59的体积为Vg3，…、第i可燃气体储罐的体积为Vgi、…，第n可燃气体储罐的体积为Vgn。开启温度控制器，将压缩空气储罐2、爆炸容器1、第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T。使用空气增压泵7将压缩空气充入压缩空气储罐2至压力Pa1。开启真空泵8将第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均抽真空至0.1kPa以下，然后将n种可燃气体分别缓慢充入第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐至压力Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn。
根据待试验的m种可燃性液体的摩尔分数xvap10，xvap20，xvap30，…，xvapi0，…，xvapm0，估算出所需要注入的可燃性液体组分i的质量分别为m10，m20，m30，…，mi0，…，mm0。估算步骤基于理想气体的状态方程：
Figure BDA0002021388550000151
式中Mvap,i为可燃液体组分i的摩尔质量。
使用空气增压泵7将压缩空气充入压缩空气储罐2至压力Pa1，开启真空泵8将爆炸容器1抽真空至压力Pb0(Pb0<2kPa)。使用多支注射器分别吸入所估算质量mi0的各组分的可燃性液体，将其分别通过液体进样口13注入爆炸容器1，使用精密天平分别称量注射前后注射器的实际质量差分别为m1，m2，m3，…，mi，…，mn，使用第三压力传感器22测量注射完所有可燃液体后爆炸容器1内部的压力为Pb0，然后根据待试验的n种可燃气体的摩尔分数xgas10、xgas20、xgas30、…、xgasi0、…、xgasn0，估算出所要注入第i种可燃气体后爆炸容器1内部的压力值P10、P20、P30、…、Pi0、…、Pn0，估算方法基于理想气体分压定律：
P10＝Pb0+x10P
P20＝P10+x20P
P30＝P20+x30P
……
Pi0＝P(i-1)0+xi0P
……
Pn0＝P(n-1)0+xn0P
式中P为爆炸极限测试的初始压力。
向爆炸容器1内分别充入第i种可燃气体约至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，同时分别记录充入后第i种可燃气体后第一可燃气体储罐57、第二可燃气体储罐58、第三可燃气体储罐59、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的压力P’g1、P’g2、P’g3、…、P’gi、…、P’gn。然后将压缩空气充入爆炸容器1至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐2的压力Pa2。此时配气过程完成，但爆炸容器内可燃气体实际的摩尔分数与要试验的摩尔分数具有一定的偏差，实际配气得到爆炸容器内可燃气体的摩尔分数的计算步骤为：
(1)根据PR、维里、Helmholtz等实际流体状态方程建立每种可燃性气体的专用状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的专用状态方程，计算出压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算出爆炸容器1抽真空后内部剩余的空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000152
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)计算得到充入爆炸容器内部的各可燃液体组分i的物质的量nvapi；
Figure BDA0002021388550000153
(5)根据所建立的可燃气体的专用状态方程，计算出充入可燃气体前，温度为T，压力分别为Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn的每种可燃气体的密度分别为ρgas1、ρgas2、ρgas3、…、ρgasi、…、ρgasn；计算出充入可燃气体后，温度为T，压力分别为P’gas1、P’g2、P’g3、…、P’gi、…、P’gn的每种可燃气体的密度分别为ρ'gas1、ρ'gas2、ρ'gas3、…、ρ'gasi、…、ρ'gasn；
(6)计算充入爆炸容器1内部每种可燃气体的物质的量
Figure BDA0002021388550000161
Figure BDA0002021388550000162
Figure BDA0002021388550000163
……
Figure BDA0002021388550000164
……
Figure BDA0002021388550000165
式中Mgas1、Mgas2、Mgas3、…、Mgasi、…、Mgasn为可燃气体的摩尔质量；
(7)使用REFPROP软件或空气的专用状态方程，计算出充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐2内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐2内空气的密度ρair2；
(8)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量
Figure BDA0002021388550000166
(9)计算出每种可燃性液体组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000167
Figure BDA0002021388550000168
Figure BDA0002021388550000169
……
Figure BDA0002021388550000171
……
Figure BDA0002021388550000172
(10)计算出每种可燃性气体组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000173
Figure BDA0002021388550000174
Figure BDA0002021388550000175
……
Figure BDA0002021388550000176
……
Figure BDA0002021388550000177
(11)计算出可燃性液体混合物组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000178
(11)计算出可燃性气体混合物组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000179
(12)计算出可燃性气-液混合物组分精确的摩尔分数
Figure BDA0002021388550000181
以下通过实例对本发明的配气方法的准确度进行说明，爆炸容器1的外径为400mm，壁厚为30mm，内部容积为20.11L，由上至下不同高度处分别使用4根加热带进行控温，爆炸容器中心位置处安装一根铠装直径0.5mm的K分度热电偶进行温度的测量；压缩空气储罐2的外径为230mm，高度为1400mm，内部容积为41.33L，由上至下不同高度处分别使用4根加热带进行控温，储罐内部不同高度处分别布置4支铂电阻温度计进行测温，取其平均值作为压缩空气储罐2内可燃气体的温度。爆炸容器1与压缩空气储罐2之间使用外径为6mm、长度为1350mm的不锈钢管连接，不锈钢管内部容积为0.02L。
实施例1
使用本装置在0℃的测试条件下，分别在不同的初始压力条件下，配制异丁烷摩尔分数为8.5％(约为异丁烷爆炸上限浓度)的混合物。图3是根据本发明的摩尔分数配气方法所获得的异丁烷的摩尔分数和根据理想气体分压定律所获得的异丁烷的体积分数的比较，图中分别给出了摩尔分数与体积分数的绝对偏差与相对偏差，从图3中可以看出，当初始压力较小时，实际配制得到的异丁烷的摩尔分数与体积分数非常接近，然而随着初始压力的增大，实际配制得到的异丁烷摩尔分数与体积分数的偏差不断增大，当初始压力为2000kPa时，两者的相对偏差超过2.5％，此时体积分数已经不能用来准确表征可燃物实际的比例。
实施例2
使用本装置在50℃的测试条件下，分别在不同的初始压力条件下，配制摩尔分数为4％的可燃性液体正庚烷+6％的可燃性气体甲烷的混合物。实验配气时首先使用注射器注入正庚烷，然后通过可燃气体储罐注入甲烷。图4为根据本发明的摩尔分数配气方法所获得的正庚烷的摩尔分数和根据理想气体分压定律所获得的正庚烷的体积分数的比较，图5为根据本发明的摩尔分数配气方法所获得的甲烷的摩尔分数和根据理想气体分压定律所获得的甲烷的体积分数的比较，图中分别给出了摩尔分数与体积分数的绝对偏差与相对偏差，从图中可以看出，当初始压力较小时，实际配制得到的正庚烷和甲烷的摩尔分数与体积分数均非常接近，然而随着初始压力的增大，实际配制得到的正庚烷和甲烷的摩尔分数与体积分数的偏差不断增大，当初始压力为2000kPa时，正庚烷摩尔分数和体积分数的相对偏差达到3.01％，甲烷摩尔分数和体积分数的相对偏差也达到2.91％，此时使用体积分数来表征可燃物实际的比例将会产生一定的误差。

Claims (10)

1.一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，包括爆炸容器(1)、压缩空气储罐(2)以及一个或多个可燃气体配气组件；
其中，爆炸容器(1)与压缩空气储罐(2)之间通过压缩空气进气管(53)相连，每个可燃气体配气组件均与爆炸容器(1)相连；
爆炸容器(1)与压缩空气储罐(2)均设置有温度测量部件、温度控制部件以及压力传感器，其中，压缩空气储罐(2)的温度测量部件为多支第一铂电阻温度计(26)，多支第一铂电阻温度计(26)设在压缩空气储罐(2)内部；爆炸容器(1)顶部设置有端盖(9)，端盖(9)上设置有点火部件；
爆炸容器(1)的侧壁安装多个爆破片(19)，爆破片(19)为焊接式，爆破压力为30-100MPa；爆炸容器(1)侧壁还安装有铠装热电偶(14)，铠装热电偶(14)为K分度，铠装部分伸入爆炸容器(1)球体内部，测量端位于球体中心附近。
2.根据权利要求1所述的一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，所述的爆炸容器(1)为球形金属容器，爆炸容器(1)外侧还缠绕有第二加热带(36)，压缩空气储罐(2)外侧缠绕有第一加热带(35)，第二加热带(36)和第一加热带(35)均分别由多根加热带组成，分别缠绕在爆炸容器(1)和压缩空气储罐(2)外侧不同的高度位置处，每根第二加热带(36)与爆炸容器(1)之间布置有多支第六铂电阻温度计(31)，每根第一加热带(35)与压缩空气储罐(2)之间布置有多支第五铂电阻温度计(30)，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制加热带的加热功率，从而控制爆炸容器(1)和压缩空气储罐(2)内部气体的温度。
3.根据权利要求1所述的一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，点火部件包括密封件(10)、点火电极(11)和熔断丝(12)；点火电极(11)伸入到爆炸容器(1)内部，熔断丝(12)设置在点火电极(11)底端，点火电极(11)与端盖(9)之间通过密封件(10)进行密封；密封件(10)与点火电极(11)之间通过玻璃烧结的方式绝缘；
密封件(10)为外螺纹结构的金属材料，由外螺纹与端盖(9)连接并密封；点火电极(11)为不锈钢材料，点火电极(11)由输出电压为110-120V的隔离变压器供电；熔断丝(12)为铜丝。
4.根据权利要求3所述的一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，端盖(9)上还设置有液体进样口(13)，液体进样口(13)处设置有液体进样装置，液体进样装置包括进液密封垫(15)、液体进样堵头(16)、爆炸密封垫(17)和密封堵头(18)；进液密封垫(15)设置在液体进样口(13)内，进液密封垫(15)上设置有液体进样堵头(16)，液体进样堵头(16)顶部设置有爆炸密封垫(17)，爆炸密封垫(17)上设置有密封堵头(18)。
5.根据权利要求4所述的一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，进液密封垫(15)为硅橡胶或氟橡胶，液体进样堵头(16)为环形柱状金属材料，外圆外侧为外螺纹结构，液体进样堵头(16)位于液体进液口下端，液体进样堵头(16)采用马氏体不锈钢材料制作，爆炸密封垫(17)为硅橡胶或为氟橡胶，爆炸密封垫(17)为平垫或O型圈；密封堵头(18)为外螺纹金属材料堵头。
6.根据权利要求1所述的一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，压缩空气储罐(2)为长圆柱体金属容器；压力传感器包括第一压力传感器(20)、第二压力传感器(21)以及第三压力传感器(22)；
第一压力传感器(20)安装在压缩空气储罐(2)顶部，用于测量压缩空气的进气量；第二压力传感器(21)和第三压力传感器(22)安装在爆炸容器(1)的侧壁上，第三压力传感器(22)用于测量爆炸极限测试的初始压力，第二压力传感器(21)用于测量爆炸压力；
压缩空气进气管(53)外侧采用保温材料包裹。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种高压爆炸极限测量装置，其特征在于，若测试可燃气体纯质的爆炸极限，可燃气体配气组件包括第一组分可燃气体配气组件(3)；若测试二元混合气体的爆炸极限，可燃气体配气组件包括第一组分可燃气体配气组件(3)和第二组分可燃气体配气组件(4)；依次类推，若测试多于三元混合气体的爆炸极限，则根据需要增设更多的可燃气体配气组件；
其中，第一组分可燃气体配气组件(3)包括第一可燃气体储罐(57)，第一可燃气体储罐(57)经过第八阀门(47)与第一可燃气体气瓶(54)相连；第一可燃气体储罐(57)顶部设置有第四压力传感器(23)，第一可燃气体储罐(57)经过第十一阀门(50)与爆炸容器(1)相连；第一可燃气体储罐(57)内部设置有多支第二铂电阻温度计(27)，第一可燃气体储罐(57)内部气体的温度采用多支第二铂电阻温度计(27)测量，第一可燃气体储罐(57)外壁面缠绕第三加热带(37)，第三加热带(37)由多根加热带组成，缠绕在第一可燃气体储罐(57)外侧不同的高度位置处，第一可燃气体储罐(57)外壁面与每根第三加热带(37)之间布置有多支第七铂电阻温度计(32)，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制每根加热带的加热功率，从而控制第一可燃气体储罐(57)内部气体的温度；
第二组分可燃气体配气组件(4)包括第二可燃气体储罐(58)，第二可燃气体储罐(58)经过第九阀门(48)与第二可燃气体气瓶(55)相连；第二可燃气体储罐(58)顶部设置有第五压力传感器(24)，用于测量可燃气体的进气量；第二可燃气体储罐(58)经过第十二阀门(51)与爆炸容器(1)相连；第二可燃气体储罐(58)内部设置有多支第三铂电阻温度计(28)，第二可燃气体储罐(58)内部气体的温度采用多支第三铂电阻温度计(28)测量，第二可燃气体储罐(58)外壁面缠绕第四加热带(38)，第四加热带(38)由多根加热带组成，缠绕在第二可燃气体储罐(58)外侧不同的高度位置处，第二可燃气体储罐(58)外壁面与每根第四加热带(38)之间布置有多支第八铂电阻温度计(33)，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制每根加热带的加热功率，从而控制第二可燃气体储罐(58)内部气体的温度；
第三组分可燃气体配气组件(5)包括第三可燃气体储罐(59)，第三可燃气体储罐(59)经过第十阀门(49)与第三可燃气体气瓶(56)相连；第三可燃气体储罐(59)顶部设置有第六压力传感器(25)，用于测量可燃气体的进气量；第三可燃气体储罐(59)经过第十三阀门(52)与爆炸容器(1)相连；第三可燃气体储罐(59)内部设置有多支第四铂电阻温度计(29)，第三可燃气体储罐(59)内部气体的温度采用多支第四铂电阻温度计(29)测量，第三可燃气体储罐(59)外壁面缠绕第五加热带(39)，第五加热带(39)由多根加热带组成，缠绕在第三可燃气体储罐(59)外侧不同的高度位置处，第三可燃气体储罐(59)外壁面与每根第五加热带(39)之间布置有多支第九铂电阻温度计(34)，每根加热带分别连接至一台温度控制器，由温度控制器自动控制每根加热带的加热功率，从而控制第三可燃气体储罐(59)内部气体的温度；
爆炸容器(1)经过第六阀门(45)和第十一阀门(50)与第一可燃气体储罐(57)相连，经过第六阀门(45)和第十二阀门(51)与第二可燃气体储罐(58)相连，经过第六阀门(45)和第十三阀门(52)与第三可燃气体储罐(59)相连。
8.一种基于权利要求1所述的高压爆炸极限测量装置的单组元可燃性气体摩尔分数配气方法，其特征在于，当可燃气体配气组件为一个时，可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐(57)，第一可燃气体储罐(57)与爆炸容器(1)相连；
首先标定压缩空气储罐(2)与压缩空气进气管(53)的总体积为Va，爆炸容器(1)的体积为Vb，第一可燃气体储罐(57)的体积为Vg；将压缩空气储罐(2)、爆炸容器(1)和第一可燃气体储罐(57)的温度同时设置为待测试的温度T；将压缩空气充入压缩空气储罐(2)至压力Pa1；将第一可燃气体储罐(57)抽真空至0.1kPa以下，将可燃性气体充入第一可燃气体储罐(57)至Pg1；将爆炸容器(1)抽真空至压力Pb0，Pb0<1kPa，然后根据要试验的摩尔分数x0，估算所要注入可燃气体后的压力值P10；
向爆炸容器(1)内充入可燃气体至所估算的压力值P10，记录实际充入的压力值P1，记录充入后第一可燃气体储罐(57)的压力Pg2；然后将压缩空气充入爆炸容器(1)至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐(2)的压力Pa2；此时配气过程完成，但爆炸容器内可燃气体实际的摩尔分数与要试验的摩尔分数x0具有一定的偏差，爆炸容器内可燃气体的摩尔分数的计算步骤为：
(1)根据PR、维里以及Helmholtz实际流体状态方程建立可燃性气体的状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算爆炸容器(1)抽真空后内部剩余的空气的物质的量nair0：
Figure FDA0002398980750000021
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)根据所建立的可燃气体的状态方程，计算充入可燃气体前，温度为T、压力为Pg0时第一可燃气体储罐(57)内可燃气体密度ρgas1；计算充入可燃气体后，温度为T、压力为Pg1时第一可燃气体储罐(57)内可燃气体密度ρgas2；
(5)计算充入爆炸容器(1)内部可燃气体的物质的量ngas：
Figure FDA0002398980750000031
式中Mgas为可燃气体的摩尔质量；
(6)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair2；
(7)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量nair1：
Figure FDA0002398980750000032
(8)计算可燃性气体精确的摩尔分数xgas：
Figure FDA0002398980750000033
9.一种基于权利要求7所述的高压爆炸极限测量装置的多组元可燃性气体摩尔分数配气方法，其特征在于，当可燃气体配气组件为多个时，可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐，第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均与爆炸容器(1)相连；
首先标定压缩空气储罐(2)与压缩空气进气管(53)的总体积为Va，爆炸容器(1)的体积为Vb，第一可燃气体储罐(57)的体积为Vg1，第二可燃气体储罐(58)的体积为Vg2，第三可燃气体储罐(59)的体积为Vg3，…、第i可燃气体储罐的体积为Vgi、…，第n可燃气体储罐的体积为Vgn；将压缩空气储罐(2)、爆炸容器(1)、第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T；将压缩空气充入压缩空气储罐(2)至压力Pa1；将第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均抽真空至0.1kPa以下，然后将n种可燃气体分别缓慢充入第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐至压力Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn；将爆炸容器(1)抽真空至压力Pb0，Pb0<1kPa，然后根据要试验的摩尔分数x10、x20、x30、…、xi0、…、xn0，估算所要注入第i种可燃气体后爆炸容器(1)内部的压力值P10、P20、P30、…、Pi0、…、Pn0；
向爆炸容器(1)内分别充入第i种可燃气体至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，同时分别记录充入后第i种可燃气体后第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的压力P′g1、P′g2、P′g3、…、P′gi、…、P′gn；然后将压缩空气充入爆炸容器(1)至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐(2)的压力Pa2；爆炸容器(1)内可燃气体的摩尔分数计算步骤为：
(1)根据PR、维里以及Helmholtz实际流体状态方程建立每种可燃性气体的状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算爆炸容器(1)抽真空后内部剩余的空气的物质的量nair0：
Figure FDA0002398980750000034
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)根据所建立的可燃气体的状态方程，计算充入可燃气体前，温度为T，压力分别为Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn的每种可燃气体的密度分别为ρgas1、ρgas2、ρgas3、…、ρgasi、…、ρgasn；计算充入可燃气体后，温度为T，压力分别为P′gas1、P′g2、P′g3、…、P′gi、…、P′gn的每种可燃气体的密度分别为ρ′gas1、ρ′gas2、ρ′gas3、…、ρ′gasi、…、ρ′gasn；
(5)计算充入爆炸容器(1)内部每种可燃气体的物质的量
Figure FDA0002398980750000041
Figure FDA0002398980750000042
Figure FDA0002398980750000043
……
Figure FDA0002398980750000044
……
Figure FDA0002398980750000045
式中Mgas1、Mgas2、Mgas3、…、Mgasi、…、Mgasn为可燃气体的摩尔质量；
(6)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair2；
(7)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量nair1：
Figure FDA0002398980750000046
(8)计算每种可燃性气体组分精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000047
Figure FDA0002398980750000048
Figure FDA0002398980750000049
……
Figure FDA0002398980750000051
……
Figure FDA0002398980750000052
(9)计算可燃性气体混合物精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000053
10.一种基于权利要求7所述的高压爆炸极限测量装置的多组元可燃性气-液混合物摩尔分数配气方法，其特征在于，当可燃气体配气组件为多个时，可燃气体配气组件包括第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐，第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均与爆炸容器(1)相连；
首先标定压缩空气储罐(2)与压缩空气进气管(53)的总体积为Va，爆炸容器(1)的体积为Vb，第一可燃气体储罐(57)的体积为Vg1，第二可燃气体储罐(58)的体积为Vg2，第三可燃气体储罐(59)的体积为Vg3，…、第i可燃气体储罐的体积为Vgi、…，第n可燃气体储罐的体积为Vgn；将压缩空气储罐(2)、爆炸容器(1)、第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的温度同时设置为待测试的温度T；将压缩空气充入压缩空气储罐(2)至压力Pa1；将第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐均抽真空至0.1kPa以下，然后将n种可燃气体分别缓慢充入第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐至压力Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn；
根据待试验的m种可燃性液体的摩尔分数xvap10，xvap20，xvap30，…，xvapi0，…，xvapm0，估算所需要注入的可燃性液体组分i的质量分别为m10，m20，m30，…，mi0，…，mm0；估算基于理想气体的状态方程：
Figure FDA0002398980750000054
式中Mvap,i为可燃液体组分i的摩尔质量；
将压缩空气充入压缩空气储罐(2)至压力Pa1，将爆炸容器(1)抽真空至压力Pb0，Pb0<2kPa，使用多支注射器分别吸入所估算质量mi0的各组分的可燃性液体，将其分别通过液体进样口(13)注入爆炸容器(1)，分别称量注射前后注射器的实际质量差分别为m1，m2，m3，…，mi，…，mn，使用第三压力传感器(22)测量注射完所有可燃液体后爆炸容器(1)内部的压力为Pb0，然后根据待试验的n种可燃气体的摩尔分数xgas10、xgas20、xgas30、…、xgasi0、…、xgasn0，估算所要注入第i种可燃气体后爆炸容器(1)内部的压力值P10、P20、P30、…、Pi0、…、Pn0；
向爆炸容器(1)内分别充入第i种可燃气体约至所估算的压力值，记录实际充入的压力值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，同时分别记录充入后第i种可燃气体后第一可燃气体储罐(57)、第二可燃气体储罐(58)、第三可燃气体储罐(59)、…、第i可燃气体储罐、…、第n可燃气体储罐的压力P′g1、P′g2、P′g3、…、P′gi、…、P′gn；然后将压缩空气充入爆炸容器(1)至待测压力P，记录充入后压缩空气储罐(2)的压力Pa2；爆炸容器内可燃气体的摩尔分数计算步骤为：
(1)根据PR、维里、Helmholtz实际流体状态方程建立每种可燃性气体的状态方程；
(2)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算压力为Pb0、温度为T时空气的密度为ρari0；
(3)计算爆炸容器(1)抽真空后内部剩余的空气的物质的量nair0：
Figure FDA0002398980750000061
式中Mair为空气的摩尔质量；
(4)计算得到充入爆炸容器内部的各可燃液体组分i的物质的量nvapi；
Figure FDA0002398980750000062
(5)根据所建立的可燃气体的专用状态方程，计算充入可燃气体前，温度为T，压力分别为Pg1、Pg2、Pg3、…、Pgi、…、Pgn的每种可燃气体的密度分别为ρgas1、ρgas2、ρgas3、…、ρgasi、…、ρgasn；计算充入可燃气体后，温度为T，压力分别为P′gas1、P′g2、P′g3、…、P′gi、…、P′gn的每种可燃气体的密度分别为ρ′gas1、ρ′gas2、ρ′gas3、…、ρ′gasi、…、ρ′gasn；
(6)计算充入爆炸容器(1)内部每种可燃气体的物质的量
Figure FDA0002398980750000063
Figure FDA0002398980750000064
Figure FDA0002398980750000065
……
Figure FDA0002398980750000066
……
Figure FDA0002398980750000067
式中Mgas1、Mgas2、Mgas3、…、Mgasi、…、Mgasn为可燃气体的摩尔质量；
(7)使用REFPROP软件或空气的状态方程，计算充入压缩空气前，温度为T、压力为Pa1时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair1；充入压缩空气后，温度为T、压力为Pa2时压缩空气储罐(2)内空气的密度ρair2；
(8)计算充入爆炸容器内压缩空气的物质的量
Figure FDA0002398980750000071
(9)计算每种可燃性液体组分精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000072
Figure FDA0002398980750000073
Figure FDA0002398980750000074
……
Figure FDA0002398980750000075
……
Figure FDA0002398980750000076
(10)计算每种可燃性气体组分精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000077
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……
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……
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(11)计算可燃性液体混合物组分精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000082
(11)计算可燃性气体混合物组分精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000083
(12)计算可燃性气-液混合物组分精确的摩尔分数
Figure FDA0002398980750000084
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