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1、可燃性混合气体爆炸特性计算1绪论可燃性混合气体的爆炸是生产生活，特别是化工生产中极为普遍的爆炸现 象。气体混合物有两种：一种是单一的可燃性气体与空气混合；另一种是多种可 燃性气体与空气混合。这两种气体混合物并非在任何情况下都能发生爆炸，只有 在一定的爆炸浓度范围，并需要一定的能量点燃，才可能发生爆炸。由此可知， 对气体混合物爆炸的爆炸极限和最小点火能的测定相当重要，对生产生活特别是 化工生产也有着积极的指导意义。可燃气体的燃烧、爆炸是最严重的灾害性事故。最近几年，我国城市天然气 及煤矿瓦斯爆炸重特大事故频频发生，给国家和人民财产造成了巨大损失，直接 影响着我国经济、社会的可持续发展。为了掌握防
2、火防爆技术，了解可燃性混合 气体的爆炸特性，掌握可燃性混合气体爆炸极限、最小发火能量的计算方法，以 及进一步了解并掌握其危险特性，特做此课程设计。通过对爆炸极限的研究可以 了解爆炸与燃烧与可燃物浓度的关系，以及最小发火能对其危险性的影响。燃烧 与爆炸是非常激烈的化学反应，特别是爆炸，其反应速度非常快，反应的过程很 难控制，如果不是按照人的意愿进行，只要其一发生，就会造成严重的后果。故 只有认识其本质，才能从根本上解决它们产生的危害。2爆炸极限2.1爆炸极限理论可燃物质（可燃气体、蒸气、粉尘或纤维）与空气（氧气或氧化剂）均匀混合形 成爆炸性混合物，其浓度达到一定的范围时，遇到明火或一定的引爆能量
3、便立即 发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限（或爆炸浓度极限）。形成爆炸性混合物的 最低浓度称为爆炸浓度下限，最高浓度称为爆炸浓度上限，爆炸浓度的上限、下 限之间称为爆炸浓度范围。可燃气体或蒸气与空气的混合物，并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸， 而且燃烧（或爆炸）的速率也随组成而变。实验发现，当混合物中可燃气体浓度接近化学反应式的化学计量比时，燃烧最快、最剧烈。若浓度减小或增加，火焰蔓 延速率则降低。当浓度低于或高于某个极限值，火焰便不再蔓延。可燃气体或蒸 气与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限；反 之，能使火焰蔓延的最高浓度则称为爆炸上限。可燃气体或蒸气与空气的混
4、合物， 若其浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不会发生燃烧或爆炸。爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的体积百分数表示，有时也用 单位体积可燃气体的质量表示。混合气体浓度在爆炸下限以下时含有过量空气， 由于空气的冷却作用，活化中心的消失数大于产生数，阻止了火焰的蔓延。若浓 度在爆炸上限以上时，含有过量的可燃气体，助燃气体不足，火焰也不能蔓延。 但此时若补充空气，仍有着火和爆炸的危险。所以浓度在爆炸上限以上的混合气 体不能认为其是安全的。2.2爆炸极限计算方法当混合气体燃烧时，燃烧波面上的化学反应可表示为A+BC+D+Q式中A、B为反应物；C、D为产物；Q为燃烧热。A、B、C、D不一定是
5、稳定分子，也可以是原子或自由基。化学反应前后的能量变化可用图(1)表示。 初始状态I的反应物(A+B)吸收活化能正达到活化状态II，即可进行反应生成终 止状态III的产物(C+D)，并释放出能量W，W=Q+E。图(2-1)假定反应系统在受能源激发后，燃烧波的基本反应浓度，即反应系统单位体 积的反应数为n则单位体积放出的能量为nW。如果燃烧波连续不断，放出的 能量将成为新反应的活化能。设活化概率为a (a W1)，则第二批单位体积内得到活化的基本反应数为anW/E，放出的能量为a nW2/E。后批分子与前批分子反应时放出的能量比0定义为燃烧波传播系数，则(2.1)anW 2/EnW现在讨论0的数
6、值。当0 1时，表示放出的热量越来越多，引起反应的分子数也越来越多，从而形 成爆炸。在爆炸极限时，0 =1，即(2.2)假设爆炸下限L （体积分数）与活化概率a成正比，则有a =KL，其中K下下为比例常数。因此1(2.3)L下当Q与E相比很大时，上式可以近似写成=kq(2.4)上式近似地表示出爆炸下限L与燃烧热Q和活化能正之间的关系。如果各 下可燃气体的活化能接近于某一常数，则可大体得出L Q=常数（2.5）下这说明爆炸下限与燃烧热近于成反比，即是说可燃气体分子燃烧热越大，其 爆炸下限就越低。各同系物的L下Q都近于一个常数表明上述结论是正确的。利 用爆炸下限与燃烧热的乘积成常数的关系，可以推算
7、同系物的爆炸下限。但此法 不适用于氢、乙炔、二硫化碳等少数可燃气体爆炸下限的推算。式（2.5）中的L是 体积分数，文献数据大都为20C的测定数据；Q则为摩尔燃烧热。对于烃类化 合物，单位质量（每克）的燃烧热q大致相同。如果以mg L-1为单位表示爆炸下22 4273 + 20限，则记为L，有L =1OOL x 一1- x，于是下下下1000M 2732.4L(2.6)L = 下下 M式中M为可燃气体的相对分子质量。把式(2.6)代人式(2.5),并考虑到Q=Mq,则可得到2.4qL 下=常数(2.7)可见对于烃类化合物，其L近于相同。下2.3根据化学计量浓度近似计算下限爆炸性气体完全燃烧时的化
8、学计量浓度可以用来确定链烷烃的爆炸下限，计算公式为L =O.55C0(2.8)下式中C0为爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度；0. 55为常数。如果空气中氧的含量按照20. 9%计算，C0的计算式则为0.209X100 二20.90.209 + n0(2.9)式中n0为1分子可燃气体完全燃烧时所需的氧分子数。如甲烷完全燃烧时的反应式为CH4+2O2-CO2+2H2O,这里 = 2,代入式(2.9)，并应用式(2.8)，可得L =5.2，即甲烷爆炸下限的计算值为5.2%, 下与实验值5.0%相差不超过10%。此法除用于链烷烃以外，也可用来估算其他有机可燃气体的爆炸下限，但当 应用于氢、乙炔，以及
9、含有氮、氯、硫等的有机气体时，偏差较大，不宜应用。 2.4由爆炸下限估算爆炸上限常压下25 r的链烷烃在空气中的爆炸上、下限有如下关系(2.10)L 二 7 . I0L5 6上下如果在爆炸上限附近不伴有冷火焰，上式可简化为(2.11)把上式代入式(2.9)，可得(2.12)L = 4.C上0以上是单一可燃气体的爆炸极限的计算，当多种气体混合时，其爆炸极限由 理。查特里法则计算，即L = 竺m V VV1 +2 + nL LL12n由其推导过程可以看出，理。查特里法则适用于活化能E，摩尔燃烧热Q和 反应比例常数k相接近的可燃气体或蒸汽混合物的爆炸极限计算。2.5混合气体的爆炸极限对于可燃气体和惰
10、性气体混合物的计算可将惰性气体和可燃性气体混合物 分成若干组，每一组都由一种可燃气体和一种惰性气体组成，分别计算各自的爆 炸极限，然后在利用公式(2.13)计算其总的爆炸极限。此外对于特殊的还可以根据混合气的爆炸极限与混合气各成分的体积浓度 之间具有非线性关系的特点，采用神经网络非线性方法来计算含有H2，CH4和 CO的多元混合气体的爆炸极限。在模型中，H2, CH4和CO的体积浓度作为输 入，爆炸上限和下限作为输出。计算结果表明，该非线性模型预测混合气爆炸下 限和上限的最大相对误差为3.90%，3.57%，而模型预测值与计算值的相关系数 分别为0.971，0.981。非线性模型的预测结果要好
11、于偏最小二乘回归的预测结果。 当H2, CO, CH4在混合气中的体积浓度给定时，非线性模型能够准确预测混合气的爆炸极限。2.6影响爆炸极限的因素爆炸极限通常是在常温常压等标准条件下测定出来的数据，它不是固定的物 理常数。同一种可燃气体、蒸气的爆炸极限也不是固定不变的，它随温度、压力、 含氧量、惰性气体含量、火源强度等因素的变化而变化。其主要影响因数有：1 初始温度爆炸性混合物的初始温度越高，混合物分子内能增大，燃烧反应更容易进行, 则爆炸极限范围就越宽。混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加， 导致爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了混合物的爆炸危险 性。所以，温度升高
12、使爆炸性混合物的危险性增加。图（2-2）温度对爆炸极限的影响2初始压力增加混合气体的初始压力，通常会使上限显著提高，爆炸范围扩大。增加压 力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合气在较低的着火温度下能够发生燃 烧。原因在于，处在高压下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分子间传热和 发生化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失却显著减少。压力对甲烷爆 炸极限的影响。在已知的气体中，只有CO的爆炸范围是随压力增加而变窄的。混合气在减压的情况下，爆炸范围会随之减小。压力降到某一数值，上限与 下限重合，这一压力称为临界压力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸的危险。 在一些化工生产中，对爆炸危险性大的物
13、料的生产、贮运往往采用在临界压力以 下的条件进行，如环氧乙烷的生产和贮运。106220165110550805326爆炸范围10 203040 50601216浓度%浓度%图（2-3）甲烷-空气混合物爆炸极限图（2-4）甲烷-空气混物爆炸极限（大气压以上）（大气压以下）3含氧量混合气中增加氧含量，一般情况下对下限影响不大，因为可燃气在下限浓度 时氧是过量的。由于可燃气在上限浓度时含氧量不足，所以增加氧含量使上限显 著增高，爆炸范围扩大，增加了发生火灾爆炸的危险性。若减少氧含量，则会起 到相反的效果。例如甲烷在空气中的爆炸范围为5.3%14%，而在纯氧中的爆 炸范围则放大到5.0%61%。甲烷的
14、极限氧含量为12%，若低于极限氧含量， 可燃气就不能燃烧爆炸了。4 惰性气体含量爆炸性混合物中惰性气体含量增加，其爆炸极限范围缩小。当惰性气体含量 增加到某一值时，混合物不再发生爆炸。不同的惰性气体对爆炸极限的影响亦不 相同。如氮、氧、水蒸气、二氧化碳、四氯化碳等，可以使可燃气分子和氧分子 隔离，在它们之间形成一层不燃烧的屏障。这层屏障可以吸收能量，使游离基消 失，链锁反应中断，阻止火焰蔓延到其他可燃气分子上去，抑制燃烧进行，起到 防火和灭火的作用。混合气体中增加惰性气体含量，会使爆炸上限显著降低，爆炸范围缩小。惰 性气体增到一定浓度时，可使爆炸范围为零，混合物不再燃烧。惰性气体含量对 上限的
15、影响较之对下限的影响更为显著的原因，是因为在爆炸上限时，混合气中 缺氧使可燃气不能完全燃烧，若增加惰性气体含量，会使氧量更加不足，燃烧更 不完全，由此导致爆炸上限急剧下降。5. 点火源与最小点火能量点火源的强度高，热表面的面积大，火源与混合物的接触时间长，会使爆炸 范围扩大，增加燃烧、爆炸的危险性。最小点火能量是指能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要的最小能量。混 合气体的浓度对点火能量有较大的影响，通常可燃气浓度稍高于化学计量浓度 时，所需的点火能量为最小。若点火源的能量小于最小能量，可燃物就不能着火。 所以最小点火能量也是一个衡量可燃气、蒸气、粉尘燃烧爆炸危险性的重要参数。 对于释放能量很小的撞击摩擦火花、静电火花，其能量是否大于最小点火能量， 是判定其能否作为火源引发火
