Wpływ temperatury na ciśnienie wybuchu mieszanin izooktanu i izomerów alkoholu butylowego

• Autorzy: Grabarczyk M. , Teodorczyk A.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.42.2.2016.6

Warianty tytułu

EN

Influence of Temperature on Explosion Pressure of Liquid Fuels Blends Composed of Isooctane and Various Isomers of Butyl Alcohol

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Celem artykułu jest przedstawienie wyników przeprowadzonych prac eksperymentalnych dotyczących wpływu temperatury na wybrane parametry wybuchowości, tj. ciśnienie wybuchu P_ex oraz maksymalne ciśnienie wybuchu P_max. Dodatkowo dokonany został przegląd literatury na temat wyżej wymienionych oraz dwóch dodatkowych parametrów tj. szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)_ex oraz maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)_max. Projekt i metody: Badania wykonano przy użyciu aparatury, której budowa jest zgodna z wytycznymi normy PN-EN 15967. Zbiornik badawczy stanowiła sferyczna komora o objętości 20 l, doposażona w dodatkowe układy o różnym przeznaczeniu, m.in. układ przygotowania mieszaniny paliwowo-powietrznej, układ akwizycji danych, układ bezpieczeństwa oraz układ stabilizacji temperatury. Źródło zapłonu umieszczone było w geometrycznym środku zbiornika badawczego i realizowane poprzez przepływ prądu przez prosty odcinek drutu topikowego włączonego między dwa metalowe pręty tak, aby wyzwalana energia mieściła się w zakresie od 10 do 20 J, ponieważ energia z tego zakresu nie wpływa w znaczący sposób na wielkości oznaczanych parametrów. Mieszaniny przygotowywano w oparciu o metodę ciśnień cząstkowych, która została omówiona w artykule. Ciśnienie początkowe badanych mieszanin palnych przed przyłożeniem źródła zapłonu było równe atmosferycznemu. Wyniki: W artykule zawarto wyniki prac eksperymentalnych z oznaczania parametrów maksymalnego ciśnienia wybuchu P_max w funkcji temperatury oraz ciśnienia wybuchu P_ex w funkcji temperatury oraz współczynnika ekwiwalencji (Φ), który jest odwrotnością współczynnika nadmiaru powietrza (λ). Badanymi substancjami były pary cieczy palnych, w tym: n-butanolu, sec-butanolu oraz izooktanu. Pomiary przeprowadzono zarówno dla ich samodzielnego występowania w atmosferze powietrznej oraz dla ich mieszanin binarnych (tj. dwuskładnikowych). Zebrane wyniki poddano ocenie oraz analizie. Każdy pomiar powtarzano od 3 do 5 razy. Wnioski: Otrzymane wyniki prac eksperymentalnych wykazują kilka wspólnych cech, w tym: obniżanie się wielkości Pmax wraz ze wzrostem temperatury; występowanie wielkości P_max dla mieszanin o stężeniu bliskim stechiometrycznemu po stronie mieszanin bogatych w paliwo (1 < Φ < 1,5); zbieganie się trendów P_ex w kierunku dolnej granicy palności (Φ < 1); występowanie szerszego zakresu wybuchowości, lecz niższych wielkości parametrów ciśnienia wybuchu po stronie mieszanin bogatych w paliwo (Φ > 1); brak symetrii trendu pomiędzy mieszaninami bogatymi (Φ > 1) a ubogimi (Φ < 1) w paliwo.

EN

Purpose: The main aim of the following paper is to present results from experiments regarding the influence of temperature on selected explosion parameters such as explosion pressure P_ex and maximum explosion pressure P_max. Morover literature was reviewed on the parameters mentioned above along with two additional parameters, ie. rate of the explosion pressure rise (dp/dt)_ex and maximum rate of explosion pressure rise (dp/dt)_max. Project and methods: The tests were performed using an apparatus, which was build according to the guidelines defined in PN-EN 15967. The test vessel was a 20 L spherical chamber equipped with additional systems for various purposes, including: fuel-air mixture preparation system, data acquisition system, security system and temperature stabilization system. Ignition source was placed in geometric center of the vessel and carried out by a current passing through a section of a straight fuse wire that was placed between two metal rods. The released energy was to be between 10 to 20 J, because this energy range does not substantially affect the value of the determined parameters. The mixtures were prepared according to the method of partial pressures explained in the paper. Initial pressure of flammable mixtures before applying the ignition source was ambient. Results: The paper contains the results of experiments regarding the maximum explosion pressure P_max versus temperature and pressure explosion P_ex versus temperature and fuel-air equivalence ratio (Φ), which is reciprocal of air-fuel equivalence ratio (λ). Tested substances were flammable liquids: n-butanol, sec-butanol and isooctane. Measurements were performed for their single-constituent mixtures with air and for their blends (binary mixtures) also with air. The collected results were preliminary assessed and analyzed. Each test was repeated from 3 to 5 times. Conclusions: The obtained experiment results indicate a number of common features including the following: decrease of P_max value together with the increase of temperature; the presence of P_max value for the mixtures with a concentration close to the stoichiometric one of fuel-rich mixtures (1 < Φ < 1,5); convergance of P_ex trends towards the lower flammability limit (Φ < 1); the presence of a wider range of explosiveness, but a lower number of parameters of explosion pressure of fuel-rich mixtures (Φ > 1); no symmetry between the trend of mixtures fuel-rich mixtures (Φ> 1) and fuel-lean mixtures (Φ <1).

Słowa kluczowe

PL

parametry wybuchowości; maksymalne ciśnienie wybuchu; maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu

EN

explosion parameters; maximum pressure of explosion; maximum rate of explosion pressure rise

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 42, nr 2
• Strony: 65--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 74 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grabarczyk M.

• Politechnika Warszawska

autor

Teodorczyk A.

• Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Bodhurtha F.P., Industrial explosion prevention and protection, Wyd. Mc-Graw Hill, New York 1980.
• [2] Podstawka T., Ocena ryzyka w miejscach pracy zagrożonych występowaniem atmosfer wybuchowych, Wyd. Sannort, Sandomierz 2014.
• [3] Porowski R., Rudy W., Przegląd badań w zakresie parametrów flash point i explosion point dla cieczy palnych, BiTP Vol. Issue 3, 2011, pp. 41-54.
• [4] PN-EN 13673-1 Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu i maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu gazów i par – Część 1: Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu.
• [5] PN-EN 13673-2 Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu i maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu gazów i par – Część 2: Oznaczanie maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu.
• [6] PN-EN 15967 Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu i maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu gazów i par.
• [7] Ryng M., Bezpieczeństwo techniczne w przemyśle chemicznym – poradnik, WNT, Warszawa 1985.
• [8] Spellman R.F., The Handbook of Safety Engineering: Principles and Applications, Wyd. Government Institutes, UK 2009.
• [9] Gieras M., Spalanie – wybrane zagadnienia w zadaniach, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011.
• [10] Gieras M., Klemens R., Kuhl A., Oleszczak P., Trzciński W., Wolański P., Influence of the chamber volume on the upper explosion limit for hexane–air mixtures, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 21, 2008.
• [11] Grabarczyk M., Porowski R., Teodorczyk A., Badanie granic wybuchowości par cieczy palnych w podwyższonych temperaturach, „Przemysł Chemiczny” Vol. 92 Issue 11, 2013.
• [12] Rarata G., Badania górnej granicy wybuchowości wodoru oraz gazowych homologów metanu w powietrzu i tlenie w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury, praca doktorska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
• [13] Kordylewski W., Spalanie i paliwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wyd. V, Wrocław 2008.
• [14] Baubraskas V., Ignition Handbook: Principles and Applications to Fire Safety Engineering, Fire Investigation, Risk Management and Forensic Science, Wyd. Fire Science Publications, 2003.
• [15] VDI Guideline 3673, Pressure Release of Dust Explosions.
• [16] Takahashi A., Urano Y., Tokuhashi K., Kondo S., Effect of vessel size and shape on experimental flammability limits of gases, “Journal of Hazardous Materials” Vol. 105, 2003.
• [17] Spalding D. B., A theory of inflammability limits and flamequenching, “Proceedings of the Royal Society” A240, 1957.
• [18] Mayer E., Theory of flame propagation limits due to heat loss, “Combustion and Flame” Vol. 1, 1957.
• [19] Cashdollar K., Zlochower I., Green G., Thomas R., Hertzberg M., Flammability of methane, propane and hydrogen gases, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 13, 2000.
• [20] De Smedt G., de Corte F., Notelé R., Berghmans J., Comparison of two standard test methods for determining explosion limits of gases at atmospheric conditions, “Journal of Hazardous Materials” Vol. 70, 1999.
• [21] Grabarczyk M., Porowski R., Teodorczyk A., Flammability characteristics of butanol fuel blends at various initial temperatures, “Archivum Combustionis” Vol. 34, 2014.
• [22] Porowski R., Rudy W., Teodorczyk A., Analiza metod badawczych granic wybuchowości cieczy palnych, BiTP Vol. 28 Issue 4, 2012, pp. 63-70.
• [23] Grabarczyk M., Porowski R., Teodorczyk A., Stężeniowe granice wybuchowości par cieczy w podwyższonej temperaturze, Referat na Konferencji Naukowej Doktorantów i Młodych Naukowców pt. „Młodzi dla Techniki 2013”.
• [24] Going J. E., Chatrathi K., Cashdollar K., Flammability limit measurements for dusts in 20-L and 1-m3 vessels, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 13, 2000/
• [25] PN-EN 1839 Oznaczanie granic wybuchowości gazów i par.
• [26] PN-EN 14034-1 Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu, część 1: Oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu Pmax obłoków pyłu.
• [27] PN-EN 14034-2 Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu, część 2: Oznaczanie maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max obłoków pyłu.
• [28] PN-EN 14034-3 Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu, część 3: Oznaczanie dolnej granicy wybuchowości DGW obłoku pyłu.
• [29] PN-EN 14034-4 Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu, część 4: Oznaczanie granicznego stężenia tlenu GST obłoku pyłu.
• [30] Kanury A.M., Flaming Ignition of Solid Fuels, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 1995.
• [31] Jarosiński J., Granice palności gazów, „Prace Instytutu Lotnictwa” Nr 3-4, 1986.
• [32] Coward H.F., Jones G.W., Limits of flammability of gases and vapors, “Bulletin of Bureau of Mines”, Vol. 503, 1952.
• [33] Zabetakis M. G., Flammability characteristics of combustible gases and vapors, “Bulletin of Bureau of Mines” Vol. 627, 1965.
• [34] Kuchta J.M., Investigation of Fire and Explosion Accidents in the Chemical, Minning and Fuel-Related Industries – Manual, “Bulletin of Bureau of Mines” Vol. 680, 1985.
• [35] Gieras M., Klemens R., Wolański P., Wójcicki S., Experimental and theoretical investigation into the ignition and combustion processes of single coal particles under zero and normal gravity conditions, “Twenty-First Symposuim (International on Combustion” Vol. 21 Issue 1, 1988, 315-323.
• [36] Gieras M., Klemens R., Wolański P., Experimental and theoretical study of ignition of single coal particles at zero gravity, “Acta Astronautica” Vol.13, 1986.
• [37] Fan Y., Crowl D., Predicting the maximum gas deflagration pressure over the entire flammability range, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 13, 2000.
• [38] Jarosiński J., Podfilipski J., Gorczakowski A., Experimental study of flame propagation in propane–air mixture near rich flammability limits in microgravity, “Combustion Science and Technology” Vol. 174 Issue 9, 2002.
• [39] Pritchard D., Freeman D., Guilbert P., Prediction of explosion pressures in confined spaces, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 9, 1996.
• [40] Van den Schoor F., Norman F., Verplaetsen F., Influence of the ignition source location on the determination of the explosion pressure at elevated initial pressures, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 19, 2006.
• [41] Razus D., Brinzea V., Mitu M., Oancea D., Explosion characteristics of LPG–air mixtures in closed vessels, “Journal of Hazardous Materials” Vol. 165, 2009.
• [42] Oh K. H., Kim H., Kim J. B., Lee S. E., A study on the obstacleinduced variation of the gas explosion characteristics, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 14, 2001.
• [43] Albahri T. A., Flammability characteristics of pure hydrocarbons, “Chemical Engineering Science” Vol. 58, 2003.
• [44] Gharagheizi F., A new group contribution-based model for estimation of lower flammability limit of pure compounds, “Journal of Hazardous Materials” Vol. 170, 2009.
• [45] Hilado C.J., A Method For Estimating Limits Of Flammability, “Journal of Fire and Flammability” Vol. 6, 1975.
• [46] Kondo S., Takizawa K., Takahashi A., Tokuhashi K., On the temperature dependence of flammability fimits of gases, “Journal of Hazardous Materials” Vol. 187, 2011.
• [47] Di Benedetto A., The thermal/thermodynamic theory of flammability: The adiabatic flammability limits, “Chemical Engineering Science” 99, 2013.
• [48] Ciccarelli G., Jackson D., Verreault J., Flammability limits of NH3-H2-N2-air mixutres at elevated initial temperatures, “Combustion and Flame” Vol. 144, 2006.
• [49] Hattwig M., Steen H., Handbook of Explosion Prevention and Protection, Wyd. Wiley VCH, 2004.
• [50] Amyotte P. R., Some myths and realities about dust explosions, “Process Safety and Environmental Protection” Vol. 92, 2014.
• [51] Bradley D., Mitcheson A., Mathematical Solutions for Explosions in Spherical Vessels, “Combustion and Flame” Vol. 26, 1976.
• [52] Ural E, Zalosh R., A mathematical model for lean hydrogen–air–steam mixture combustion in closed vessels, “Proceedings of the Combustion Institute” Vol. 20, 1984.
• [53] Lautkaski R., Duct venting of gas explosions. Revision of two proposed engineering correlations H., Gaseous and dust explosion venting, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 25, 2012.
• [54] Law C.K., Egolfopoulos F.N., A kinetic criterion of flammability limits: the C-H-O-inert Ssystem, 23rd Symp. (Intl.) On Combustion, The Combustion Institute, 1990.
• [55] Pekalski A.A., Schildberg H.P., Smallegange P.S.D., Lemkowitz S.M., Zevenbergen J.F., Braithwaite M., Pasman H.J., Determination of the explosion behaviour of methane and propene in air or oxygen at standard and elevated conditions, Proceedings of the 11-th International Symposium on Loss Prevention in the Process Industries, Czechy, Praga, 2004
• [56] Pekalski A. A., Terli E., Zevenbergen J. F., Lemkowitz S. M., Pasman H. J., Influence of the ignition delay time on the explosion parameters of hydrocarbon–air–oxygen mixtures at elevated pressure and temperature, “Proceedings of the Combustion Institute” Vol. 30, 2005.
• [57] Razus D., Brinzea V., Mitu M., Oancea D., Temperature and pressure influence on explosion pressures of closed vessel propane–air deflagrations, “Journal of Hazardous Materials” Vol. 174, 2010.
• [58] Razus D., Movileanu C., Brinzea V., Oancea D., Closed vessel combustion of propylene–air mixtures in the presence of exhaust gas, “Fuel” Vol. 86, 2007.
• [59] Suzuki T., Empirical relationship between lower flammability limits and standard enthalpies of combustion of organic compounds, “Fire and Materials” Vol. 18, 1994.
• [60] Takahashi F., Glassman I., Sooting correlations for premixed flames, “Combustion Science and Technology” Vol. 37, 1984.
• [61] Sochet I., Gillard P., Flammability of kerosene in civil and military aviation, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” Vol. 15, 2002.
• [62] Dlugogorski B. Z., Hichens R. K., Kennedy E. M., Bozzelli J.W., Water vapour as an inerting agent, Proceedings of the Halon options technical working conference, 1997
• [63] Huzayyin A., Moneib H., Shehatta M., Attia A., Laminar burning velocity and explosion index of LPG–air and propane–air mixtures, “Fuel” Vol. 87, 2007.
• [64] Di Benedetto A., Salzano E., Russo G., Predicting pressure piling by semi-empirical correlations, “Fire Safety Journal” Vol. 40, 2005.
• [65] Hu K., Chen J., Lin S., Shu M., Shu C., Fire and explosion hazard analysis on flammable binary solutions in chemical plants – an example on benzene/methanol mixtures, Proceedings of the 11-th International Symposium on Loss Prevention in the Process Industries, Czechy, Praga, 2004
• [66] Werczyńska K., Badanie temperaturowych granic palności wybranych paliw ciekłych, praca inżynierska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2015.
• [67] Brandes E., Möller W., Sicherheitstechnische Kenngrößen, Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase, Wirtschaftsverlag NW, Bremerhaven, 2003.
• [68] CHEMSAFE, Database for Recommended Safety Characteristics, v.1.4.2. BAM, PTB, DECHEMA, Germany, 2001.
• [69] Shepherd J., Learning From Tragedy: Explosions and Flight 800, “Engineering and Science” Issue 2, 1998.
• [70] Wrzesiński Z., Termodynamika, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
• [71] Razus D., Oancea D., Chirila F., Ionescu N. I., Transmission of an explosion between linked vessels, “Fire Safety Journal” Vol. 38 Issue 2, 2003.
• [72] Razus D., Movileanu C., Brinzea V., Oancea D., Explosion pressures of hydrocarbon–air mixtures in closed vessels, “Journal of Hazardous Materials” B135, 2006.
• [73] Warnatz J., The structure of laminar alkane-, alkene-, and acetylene flames, “Proceedings of the Combustion Institute” Vol. 18, 1981.
• [74] Benson, S.W., Buss, J. H., Additivity rules for the estimation of molecular properties – Thermodynamic properties, “The Journal of Chemical Physics” Vol. 29 Issue 3, 1958.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.