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原文传递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

专利名称：	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
摘要：	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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	张可;符文;孟现阳;毕胜山;吴江涛
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
申请号：	CN201910280205.2
公开号：	CN110082392A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	安彦彦
分类号：	G01N25/54(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	710049 陕西省西安市咸宁西路28号
主权项：	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)上均设置有温度测量部件、温度控制部件以及压力传感器。 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)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；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，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，压缩空气储罐(2)内部设置有多支第一铂电阻温度计(26)测量；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Pe2；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：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：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： (8)计算可燃性气体精确的摩尔分数xgas： 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：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 …… …… 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： (8)计算每种可燃性气体组分精确的摩尔分数 …… …… (9)计算可燃性气体混合物精确的摩尔分数 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：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：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； (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 …… …… 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 (9)计算每种可燃性液体组分精确的摩尔分数 …… …… (10)计算每种可燃性气体组分精确的摩尔分数 …… …… (11)计算可燃性液体混合物组分精确的摩尔分数 (11)计算可燃性气体混合物组分精确的摩尔分数 (12)计算可燃性气-液混合物组分精确的摩尔分数
所属类别：	发明专利