正丁烷/异丁烷混合气体爆炸特性与化学动力学的多尺度机制研究

本文通过耦合20L球形爆炸罐实验与高精度化学动力学模型，揭示了正丁烷(n-C4H10)/异丁烷(i-C4H10)混合体系的爆炸抑制机制。研究发现异丁烷支链结构通过选择性捕获关键自由基(·H/·OH)削弱链式反应，爆炸强度随比例增加系统性降低；同时确定了临界混合比阈值(>40%)和最佳爆炸浓度(4%)，为工业丁烷安全利用技术提供理论依据。

　　

Highlight
本研究系统揭示了正丁烷(n-C₄H₁₀)/异丁烷(i-C₄H₁₀)混合气体爆炸动力学中化学当量比与分子结构的耦合机制，主要发现如下：

化学动力学模拟
采用CHEMKIN-PRO软件结合爱尔兰国立大学最新烷烃机理文件，构建了包含187组分/1544反应的扩展机制。模拟显示异丁烷支链结构通过"自由基陷阱"效应优先消耗·OH自由基（反应速率常数k_298K=2.3×10¹¹ cm³/mol·s），使关键链传递反应R38(H+O₂=O+OH)的敏感性系数降低37%。

爆炸压力参数调控规律

• •峰值压力(P_max)呈现双因素调控：最佳爆炸浓度φ=4%时达0.897 MPa，而i-C₄H₁₀比例(R)每增加20%，P_max下降0.12±0.03 MPa
• •临界混合比阈值现象：当R>40%时，压力上升速率(dp/dt)_max出现断崖式下降（降幅达64%）

分子构型-爆炸特性关联机制
通过自由基路径重构发现：

1. 1.正丁烷直链结构促进·CH₃自由基增殖，加速链分支反应
2. 2.异丁烷叔碳位点优先与·OH生成稳定中间体C₄H₉O·，阻断链传递
3. 3.当量比Φ=1.2时出现"爆炸强度反转点"，源于O₂竞争消耗效应

安全应用价值
研究结果为液化石油气(LPG)储运安全提供量化策略：

• •工艺控制：将i-C₄H₁₀比例提升至40%以上可实现本质安全
• •抑爆设计：在4%可燃浓度区间采用氮气-干粉协同抑制技术

Conclusion
异丁烷通过分子构型差异调控自由基反应网络，其支链结构作为"动力学开关"选择性抑制关键链传递反应。该发现为C₄烷烃的定向分子设计及工业安全应用建立了"结构-活性"关系模型。