医药行业C8H8KNO5（克拉维酸钾）混合粉尘在输运管道内爆炸特性的研究

摘要

从建国初期哈尔滨亚麻厂亚麻特大粉尘爆炸事故开始,粉尘爆炸问题一直受到人们的关注,但中后期研究者大多关注矿井煤尘爆炸,近期由于制药工业、食品工业等粉体加工工业行业蓬勃发展和工厂的大规模生产,造成此类粉尘爆炸事故频发。
　　本课题正是基于此背景,致力于研究工艺输送管道内粉尘爆炸,以常见普通消炎药主要成分的克拉维酸钾和微晶纤维素(1:1)混合粉尘作为研究对象,就混合粉尘爆炸影响因素,爆炸燃烧速度,爆炸基本参数特性及规律的特点和水平管道内形成爆炸的气流组织及流场特征进行研究。首先从管道内粉尘爆炸事故发生原因出发,通过理论分析,研究了管道内气候环境、气流状态、气粉耦合作用强度、点火源状态与能量四个一级指标因素;可燃气体浓度,氧气或窒息气浓度,管内气流初始压力,管内温度,气流湿度,气流运动流场,粉尘云区域范围,粉尘云的均匀程度,粉尘云湍流程度,点火火花形状十个二级影响指标因素,理论上推导克拉维酸钾混合粉尘爆炸影响因素模型,从守恒定律推导出克拉维酸钾混合粉尘爆炸燃烧速度模型。
　　通过20L球形爆炸测试系统、粉尘层着火温度测试仪、粉尘云着火温度测试仪等设备,对克拉维酸钾混合粉尘的颗粒含湿量,粒径分布、粉尘层最低着火温度,粉尘云最低着火温度、爆炸极限、爆炸指数、放热特性等进行了试验研究,研究得出克拉维酸钾混合粉尘基本爆炸特性参数。通过热爆炸平衡判断方法,研究得出混合粉尘的爆炸极限的预测模型。在研究混合粉尘颗粒物爆炸参数的基础L,结合实际生产工艺状态,研究得到了管道内粉尘含湿量、喷粉气流气压、粉尘云浓度、气流温度、可燃气体浓度、惰性气体浓度等环境状态参数对粉尘爆炸影响关系。
　　建立了水平管道粉尘爆炸试验台,根据粉尘爆炸的特点,研究气流组织、粉尘状态及位置,抑爆入口等不同参数对粉尘爆炸的影响。建立高速数据采集系统及控制系统,满足了克拉维酸钾混合粉尘爆炸试验强度要求,特别是结合粉尘爆炸的压力传播及速度要求,选用了A/D24bit高频压力传感器,编制16通道的粉尘爆炸数据采集和控制软件,满足数据传输和控制点火等各项要求。通过水平输运通风管道爆炸试验台,采用单因素逐项试验方法,研究得到了压力、爆破片厚度,入口管道长径比等对水平管道内粉尘爆炸的影响关系。试验对成功发生粉尘爆炸的三种气流组织的管道条件进行分别研究,在环境温度29℃、相对湿度87％基础上,研究得到了不同气流组织和不同粉尘浓度对面粉粉尘爆炸形成的规律、条件的影响,以及爆炸形成后的爆炸压力波超压发展特点。
　　研究表明粉尘爆炸产生活塞式冲击波气流中反应了粉尘爆炸强度和激烈程度。在粉尘强烈爆炸的气流组织三的基础上,重点研究克拉维酸钾混合粉尘在不同浓度下爆炸特点。在克拉维酸钾混合粉尘强烈爆炸的基础上又进行了抑制爆炸试验研究,选取碳酸钙作为抑制剂,就克拉维酸钾混合粉尘爆炸在不同喷入时间下压力衰减影响进行研究。研究表明气流组织三下,抑制剂流场形态在500ms以内对粉尘爆炸冲击波传播起到抑制作用。结合试验平台和理论分析,采用标准k—ε湍流模型,对管道内扬尘输送或通风气流数值模拟,研究得到了气流压力、气流速度等大小及变化规律。
　　模拟研究得出了粉尘强烈爆炸弱激波气流情况下的气流速度、速度矢量、气流压力、气流湍流度、气流温度等变化情况。通过气固耦合方程,利用离散相DPM模型,研究了颗粒物在管道内运动特点。
　　气流组织条件三下,激波破膜之后管道内流场数值模拟结果与试验测试具有一定的符合性,研究得出在该条件下粉尘发生强烈爆炸前的水平管道内的气流条件和特征数值范围。研究得出的克拉维酸钾混合粉尘爆炸影响因素和爆炸燃烧速度的模型,混合粉尘基本爆炸参数的特点,以及提出的对管道内粉尘爆炸气流形成条件,特别是水平管道条件下,以及粉尘爆炸气流冲击波在管道内发生、发展,以及在抑爆等情况’下抑制粉尘爆炸压力上升强度变化规律特点,能对该类型粉尘加工行业中防爆、抑制爆炸技术提供相应对策和理论借鉴。对管道内冲击气流对沉积粉尘迁移、传播、分布的特性进行了初步研究和分析,建立的影响粉尘爆炸的气流组织条件和特征还需通过试验检测进行进一步的修正,以达到准确性要求。

目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 粉尘爆炸研究现状与防治技术进展

1.2.1 粉尘爆炸模型与机理研究

1.2.2 粉尘爆炸参数的研究

1.2.3 粉尘爆炸传播及防爆技术研究

1.3 本课题主要研究内容

1.4 研究方法与技术路线

1.5 小结

第二章 管道内粉尘爆炸模型研究

2.1 影响管道中粉尘爆炸的因素分析

2.1.1 粉尘特性

2.1.2 运行条件

2.1.3 系统整体条件

2.2 管道内粉尘爆炸模型

2.2.1 粉尘爆炸影响因素模型

2.2.2 粉尘爆炸燃烧速度模型

2.3 小结

第三章 C_8H_8KNO_5混合粉尘特性参数的试验研究

3.1 C_8H_8KNO_5混合粉尘湿度参数试验

3.1.1 试验方法

3.1.2 数据处理方法及结果

3.2 C_8H_8KNO_5混合粉尘粒径分布测定试验

3.2.1 试验方法

3.2.2 数据处理方法及结果

3.3 C_8H_8KNO_5混合粉体安息角试验

3.3.1 试验方法

3.3.2 数据处理方法及结果

3.4 C_8H_8KNO_5混合粉尘层最低着火温度试验

3.4.1 试验设备及方法

3.4.2 结果与分析

3.5. C_8H_8KNO_5混合粉尘云最低着火温度测定试验

3.5.1 试验设备及方法

3.5.2 结果与分析

3.6 C_8H_8KNO_5混合粉尘爆炸极限

3.6.1 试验设备及方法

3.6.2 数据处理方法及结果

3.6.3 爆炸极限对比分析

3.6.4 混合粉尘爆炸指数分析

3.7 C_8H_8KNO_5混合粉尘热分析研究

3.7.1 试验设备

3.7.2 结果及分析

3.8 C_8H_8KNO_5混合粉尘的其它特性参数

3.9 C_8H_8KNO_5粉尘爆炸极限的预测

3.10 小结

第四章 管内环境特性对爆炸的影响试验研究

4.1 含湿量对粉尘爆炸下限的影响试验研究

4.1.1 试验方法

4.1.2 结果及分析

4.2 喷粉初始气流压力对粉尘云最低着火温度影响试验

4.2.1 试验方法

4.2.2 结果及分析

4.3 管道内气流温度对爆炸强度影响试验

4.3.1 试验方法

4.3.2 结果及分析

4.4 管道内空气内含尘浓度对爆炸强度的影响试验研究

4.4.1 试验方法

4.4.2 结果及分析

4.5 惰性气体对粉尘爆炸强度影响的试验研究

4.5.1 试验方法

4.5.2 结果及分析

4.6 环境中可燃气体影响分析

4.7 小结

第五章 水平管道内气流组织对爆炸影响的试验研究

5.1 试验装置

5.1.1 点火源

5.1.2 气流组织方式

5.1.3 爆炸试验管道

5.1.4 压力传感器

5.1.5 粉尘爆炸控制与数据采集系统

5.2 试验方法

5.3 试验过程及结果

5.3.1 气流组织一试验过程及结果分析

5.3.2 气流组织二试验过程及结果分析

5.3.3 气流组织三试验过程及结果分析

5.4 小结

第六章 爆炸前管道内气流组织的数值模拟

6.1 粉尘爆炸前气粒两相流模拟

6.1.1 数学模型

6.1.2 计算流场及过程实现

6.2 气相数值模拟结果及分析

6.2.1 破膜后0.1ms时气流状态及分析

6.2.2 破膜后1ms时气流状态及分析

6.2.3 破膜后5ms时气流状态及分析

6.3 克拉维酸钾混合粉尘颗粒相模拟结果及分析

6.4 小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢

附录