Page 200 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 王振刚，等： 初始温度、压力对丙烯-空气混合物爆炸极限的耦合影响 第 9 期

26 26

25 0.9 MPa 25 180 ℃
Upper explosion limit/% 24 0.3 MPa Upper explosion limit/% 24 60 ℃
0.7 MPa
140 ℃
23
23
0.5 MPa
100 ℃
22
22
21
21
0.1 MPa
20 ℃
20
20
19
19
18
18
17
17
16
16
15
14
14
13
13 15
12 12
11 11
20 60 100 140 180 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
Initial temperature/℃ Initial pressure/MPa
(a) Influence of initial temperature (b) Influence of initial pressure
图 3 温度、压力对丙烯爆炸上限的影响
Fig. 3 Propylene upper explosion limit varied with initial temperature or pressure

实验数据表明，温度和压力对丙烯爆炸上
限（upper explosion limit, UEL）的耦合效应呈现显
24
著 的 非 线 性 特 征 。 常 压 常 温 （ 20 ℃ 、 0.1 MPa）
22
下，丙烯的 UEL 为 11.9%。当温度与压力协同升 20
至 180 ℃、0.9 MPa 时，UEL 大幅拓宽至 24.8%， 18
增幅达 108%。单因素实验表明，温度升至 180 ℃ 16 Upper explosion limit/%
仅使 UEL 增至 12.4%（微增 4.2%），而压力升至 14
0.9 MPa 则显著提升 UEL 至 18.0%（增幅 51.3%）。 12
180 10
值 得 注 意 的 是 ， 温 度 压 力 耦 合 作 用 下 的 增 幅 140 0.9
100 0.5 0.7
60
（108%）远高于两因素单独作用效应的线性叠加 Temperature/℃ 0.3
20 0.1 Initial pressure/MPa
值（55.5%），呈现出显著的非线性正协同效应。
为直观表征这一协同效应，建立了三维响应曲面 图 4 初始温度、压力对丙烯爆炸上限的耦合影响
模型，如图 4 所示，拟合函数为 Fig. 4 Propylene UEL curve with initial temperature and pressure
2
2
φ u = φ u0 +a u p+b u T +c u p +d u T + f u pT (2)
φ u 为爆炸上限；p 为压力，p∈[0.1,0.9] MPa；T φ u0 = (10.698 11 ±
式中： 为温度，T∈[20,180] ℃；系数
2
0.381 52)%，a = (10.329 31 ± 1.156 23)%/MPa，b = (−0.006 37 ± 0.005 78)%/℃，c = (−3.653 57 ± 1.042 12)%/MPa ，
u
u
u
2
d = [(3.991 07 ± 2.605 29)×10 ]%/℃ ，f = (0.045 21 ± 0.004 36)%/(MPa·℃)。该拟合函数的 R =0.992 66。
−5
2
u
u
该模型准确揭示了高温高压区（T＞120 ℃，p＞0.6 MPa）爆炸上限的加速上升现象，为工业安全设计提供
了重要依据。
实验观察发现：当丙烯在爆炸上限附近爆炸后内会产生大量碳粉。为探究这一现象，采用 CHETAH
11.0 软件基于吉布斯自由能最小化原理，计算了丙烯在空气中的燃烧产物摩尔组成，计算参数设定为：
反应温度取丙烯最低火焰温度为 1 418 K，压力为初始压力的 1.05 倍。如表 2 所示，模拟结果准确反映了
实际观察到的碳粉生成现象，为理解高压条件下碳粉形成机理提供了理论依据。
由表 2 揭示了丙烯爆炸上限测试时碳粉生成的典型特征：压力升高，爆炸上限升高，体系氧含量降
低，耗氧的一氧化碳和二氧化碳总量明显降低，不耗氧的碳生成量增加。同时，压力升高，Boudouard 反
⇌ C+CO ）向右移动。一氧化碳在这两种作用下大量消耗，但二氧化碳在 反应的补充
应（2CO 2 Boudouard
下含量变化不明显。实验结果显示，高压条件下爆炸球内碳粉沉积量剧增，这是反应物总量成倍增加与
碳生成比例上升共同作用的结果。
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