可燃性混合气体爆炸特性计算.docx

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可燃性混合气体爆炸特性计算

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+B→C+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。

能量

E

W

Q

时间

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α（α≤1），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αnW2/E。

后批分子与前批分子反应时放出的能量比β定义为燃烧波传播系数，则

（2.1）

现在讨论β的数值。

当β<1时，表示反应系统受能源激发后，放出的热量越来越少，因而引起反应的分子数也越来越少，最后反应会终止，不能形成燃烧或爆炸。

当β＝1时，表示反应系统受能源激发后均衡放热，有一定数量的分子持续反应。

这是决定爆炸极限的条件（严格说卢值略微超过1时才能形成爆炸）。

当β＞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，β＝1，即

（2.2）

假设爆炸下限L下（体积分数）与活化概率α成正比，则有α＝KL下，其中K为比例常数。

因此

（2.3）

当Q与E相比很大时，上式可以近似写成

（2.4）

上式近似地表示出爆炸下限L下与燃烧热Q和活化能正之间的关系。

如果各可燃气体的活化能接近于某一常数，则可大体得出

L下Q＝常数（2.5）

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20℃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为单位表示爆炸下限，则记为Lˋ下，有L下＝100Lˋ下

，于是

（2.6）

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

2.4qLˋ下＝常数　（2.7）

可见对于烃类化合物，其Lˋ下近于相同。

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下＝0．55C0　（2.8）

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

（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n0＝2，代入式（2.9），并应用式（2.8），可得L下＝5.2，即甲烷爆炸下限的计算值为5.2％，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℃的链烷烃在空气中的爆炸上、下限有如下关系 

（2.10）

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）

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

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。

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灾爆炸事故的重要条件。

6．消焰距离

实验证明，通道尺寸越小，通道内混合气体的爆炸浓度范围越小，燃烧时火焰蔓延速度越慢。

这是因为燃烧在一通道中进行时，通道的表面要散失热量，通道越窄，比表面积越大（通道表面积和通道容积的比值），中断链锁反应的机会就越多，相应的热损失也越大。

当通道窄到一定程度时，通道内燃烧反应的放热速率就会小于通道表面的散热速率，这时燃烧过程就会在通道内停止进行，火焰也就停止蔓延，因此把火焰蔓延不下去的最大通道尺寸叫消焰距离。

各种可燃气有不同的消焰距离，消焰距离还与可燃气的浓度有关，也受气体流速、压力的影响。

所以，消焰距离是可燃物火焰蔓延能力的一个度量参数，也是度量可燃物危险程度的一个重要参数。

7．容器的材质和尺寸

实验表明，容器管道直径越小，爆炸极限范围越小。

对于同一可燃物质，管径越小，火焰蔓延速度越小。

3.最小发火能

3.1最小发火能

爆炸性物质要从不爆炸到爆炸需要一定的能量，即最小发火能。

最小点火能是指可燃性气体与氧气按一定比例混合后，能使可燃性混合气体与氧气的混合物在一定温度和压力下，发生燃烧或爆炸的最小能量。

在讨论可燃气体的爆炸极限的时候，当β<1时，表示化学反应在一定的能量激发下，不能维持反应继续进行。

当β=1时，反映反应系统所放出的能量刚好能维持其反应的继续进行。

如甲烷在电压100V、电流强度1A的电火花作用下，无论浓度如何都不会引起爆炸。

对于一定浓度的爆炸性混合物，都有一个引起该混合物爆炸的最低能量。

浓度不同，引爆的最低能量也不同。

对于给定的爆炸性物质，各种浓度下引爆的最低能量中的最小值，称为最小引爆能量，或最小引燃能量。

3.2影响最小发火能的因素

最小发火能是引燃和引爆气体的最小能量，如果外界在可燃性气体中释放的能量等于或超过最小发火能，其就会燃烧，爆炸。

但最小发火能受多种因素的影响，是多种因素影响的结果。

影响最小发火能的因素有很多，主要有：

1.危险物质的种类

2.危险物质的物理状态

3.危险物质是可燃性爆炸混合物时的混合比，压力，温度等

4.静电放电的放电形态

5.放电间隙的大小

6.产生静电的带电物体的电导率。

可燃性气体的最小发火能一般由实验测得，当多种可燃性气体混合在一起时，它的最小发火能根据混合气体的各气体的混合比，然后依据它们在与氧气混合时在同样的温度和压力下，确定那种气体最有可能，用最小发火能发生爆炸，就把这种气体在同样的温度和压力下，与空气混合时的最小发火能作为整个可燃性混合气体的最小发火能。

4可燃性混合气体爆炸极限和最小发火能的计算

4.1爆炸特性计算的相应条件

可燃性混合气体爆炸参数影响的因素很多，例如，可燃气体及氧化剂的种类；气体浓度；点火源能量大小；点火位置；爆炸空间的封闭程度，障碍物的大小，数量及现状等。

在文章中其他条件不变的情况下，仅仅对丙烷、丙烯、甲烷三种可燃气体与空气混合物混合爆炸的爆炸极限和最小点火能进行计算和研究。

4.2求可燃性混合气体的爆炸极限

假设有一可燃性混合气体，其中含有丁烷、乙烷、甲烷，各气体的混合体积比30%，20%，50%，求其爆炸极限。

查资料可得三种气体的爆炸极限分别为1.8~8.4，3.0~12.4，5.0~15.0。

因为这三种气体的活化能，摩尔燃烧热以及反应概率的比例常数k相近，所以用查特里法则，求其的爆炸极限。

所以该可燃混合气体的爆炸极限是3.0—11.8。

4.3最小发火能的估计

对于混合气体的最小发火能，其中各组分的最小发火能分0.25mJ，0.25mJ，0.28mJ，考虑到最小发火能受其他因素的影响，确定以丁烷的最小发火能作为混合气体的最小发火能。

所以混合气体的最小发火能是0.25mJ。

5可燃气体混合爆炸特性

混合系的组分不同，爆炸极限也不同。

同一混合系，由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等的都能使爆炸极限发生变化。

一般规律是：

混合系原始温度升高，则爆炸极限范围增大，即下限降低、上限升高。

因为系统温度升高，分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统。

系统压力增大，爆炸极限范围也扩大，这是由于系统压力增高，使分子间距离更为接近，碰撞几率增高，使燃烧反应更易进行。

压力降低，则爆炸极限范围缩小；当压力降至一定值时，其上限与下限重合，此时对应的压力称为混合系的临界压力。

压力降至临界压力以下，系统便不成为爆炸系统（个别气体有反常现象）。

混合系中所含惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小，惰性气体浓度提高到某一数值，混合系就不能爆炸。

容器、管子直径越小，则爆炸范围就越小。

当管径（火焰通道）小到一定程度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散出的热量就会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。

火焰不能传播的最大管径称为该混合系的临界直径。

点火能的强度高、热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大。

除上述因素外，混合系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围。

可燃性蒸气的爆炸极限值是由可燃液体表面产生的蒸气浓度决定的。

对于可燃液体而言，爆炸下限浓度对应的闪点温度又可以称为爆炸下限温度；爆炸上限浓度对应的液体温度又可以称为爆炸上限温度。

表（5-1）部分可燃性气体的爆炸极限

名称

爆炸极限（体积分数，％）

下限

上限

甲烷

5．0

15.0

乙烷

3．0

12.4

丙烷

2．4

9.5

正丁烷

1．9

8.4

异丁烷

1.8

8.5

正己烷

1.2

7.5

乙烯

2.7

36.O

丙烯

2.0

11

正丁烯

1.6

9.3

异丁烯

1.7

9.7

表（5-2）部分气体的最小引爆能量

气体

体积分数/%

能量

/×106J·mol-1

气体

体积分数/%

能量

/×106J·mol-1

甲烷

乙烷

丁烷

乙烯

丙烯

乙炔

甲基乙炔

丁二烯

环氧乙烷

8.50

4.02

3.42

6.52

4.44

7.73

4.97

3.67

7.72

0.280

0.031

0.380

0.016

0.282

0.020

0.152

0.170

0.105

氧化丙烯

甲醇

乙醛

丙酮

苯

甲苯

氮

氢

二硫化碳

4.97

12.24

7.72

4.87

2.71

2.27

21.8

29.2

6.52

0.190

0.215

0.376

1.15

0.550

2.50

0.77

0.019

0.015

6危险性分析

可燃气体的最小点火能的测定可以掌握并控制外界的能量释放或聚集的能量在最小点火能以下，以保证气体不发生燃烧和爆炸，同时我们可以控制可燃气体的外界环境以提高该气体的最小点火能；可燃气体的爆炸极限测定可以为我们对一些易爆的气体控制，在现实生产中所遇到的气体爆炸大多数为可燃气体混合爆炸，因此研究它们的爆炸极限的计算是有必要的。

对最小点火能和爆炸极限对化工生产中极具指导意义，并且在产品的生产、存储、运输、包装过程有很强的参考价值。

7气体爆炸安全防护措施

对可燃气体采用密封设备，同时要在容器上安装抑爆与泄爆安全装置。

在一些情况下可以考虑混合惰性气体，对危险性混合气体进行惰化处理。

对于有气体爆炸危险的场合要用传感器进行监测控制，使爆炸性混合气体的浓度在爆炸极限以外，要注意爆炸的上限，（实际上爆炸的上限是比不安全的）此外应加强对明火的管理，防止在有气体爆炸的危险区火花等其他能量的释放。

8设计总结

以上叙述表明，决不可把爆炸特性值看作是物理常数。

而在实际工作中，却有很多人把其当作一个常数，这对处理实际工作中遇到的特殊情况有很大的危害。

这些值与测定时所采用的方法有很大的关系。

正因如此，同一种气体，其爆炸极限数值在国内、国外权威部门发布的数据也是有所不同。

但是，这些数值由于本身差别并不大，而在进行气体监测报警时，更是取其爆炸下限的10%进行报警，因此，差别就更加微小，一般情况下不影响正常使用，但是，作为一个管理者而言，应该知道这个数值的来源，并根据自己的实际情况予以科学掌握使用，特别是在特殊情况下，比如热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间长的情况下，就应该充分考虑到爆炸极限的扩大。

如果一成不变，死搬教条，就易引发事故，影响生产的正常运行。

可燃性混合气体的爆炸特性的计算，受很多因素的影响，而且计算的方法也有很多，但每种方法都有它独特的地方，有其实用的地方。

在计算爆炸极限的过程中，首先要知道可燃性混合气体的组成及其混合比，然后根据每一组分的活化能，摩尔反应热等来确定用什么方法计算。

在计算可燃性混合气体的最小发火能时，由于没有公式用于计算混合气体的最小发火能，所以只有用比较法来确定其最小发火能。

最小发火能的估计要考虑多方面的因素，包括混合比，温度等。

了解与掌握以上计算燃烧与爆炸特性的方法以后，对于预防燃烧与爆炸事故的发生具有积极的作用。

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