油轮有毒有害气体检测教材.docx

1、油轮有毒有害气体检测教材第一章 气体检测常识气体检测在我司油轮船舶的运用中最常见的有可燃性气体、氧气、有毒有害气体（如一氧化碳、硫化氢等）的检测，下面主要介绍上述几种气体检测的原理，其中重点介绍可燃性气体检测的原理.这里在介绍可燃性气体的检测之前,先介绍一下燃烧与爆炸的原理.第一节 燃烧与爆炸本节介绍：燃烧概念及燃烧条件,可燃气的爆炸限, 可燃气爆炸三要素,爆炸限与温度,压力,的关系,部分可燃性气体名称,理化特性,爆炸限一览表.燃烧的基本原理燃烧是指某些物质在较高温度时,与空气中的氧化合而发热和发光的剧烈氧化反应现象.火灾,是指在时间或空间上失去控制并造成一定危害的燃烧现象.消防部门对火灾有火

2、灾和火警之分,其共同点都是失去了控制的燃烧.火灾和火警的主要区别在于经济损失的大小和有无人员伤亡以及受伤程度的轻重. 燃烧及其必要条件燃烧是着火的同义词, 燃烧反应具有三个特征:放热、发光、生成新物质.这三个特征是区分燃烧和非燃烧现象的依据.燃烧反应的发生包含能量的极限要求和物质传播的连续性要求,这是两个缺一不可的必要条件.如果传播速度变快,就会伴有冲击性的压力效应,产生爆炸现象.由此可见,燃烧和爆炸其实质是相同的,主要差异在于传播情况的不同而已.燃烧需要有三个条件 (1) 有可燃性物质存在,固体如木材、煤炭等,液体如柴油、乙醇,气体如甲烷、氢气等;(2) 有助燃物质存在,最常见的就有空气(氧

3、); (3) 有导致燃烧的能源,即点火源,如明火、静电、高温、光或射线等.任何燃烧现象的发生,都必须同时具备可燃物、助燃剂和着火源,这三个条件叫燃烧三要素,缺一不可,对于正在燃烧的火焰,若消除其中任何一个条件,燃烧就会停止.一、爆炸及其种类 爆炸是物质自一种状态迅速转变为另一种状态，并在瞬间释放出大量的能量同时产生巨大声响的现象。一般的爆炸(核爆炸除外)分为物理性爆炸和化学性爆炸两类。 A 、物理性爆炸是由温度、体积和压力等因素引起，爆炸前后物质的性质及化学成分均不变。B 、化学性爆炸是物质在短时间内完成化学变化，形成其他物质同时产生大量气体和能量的现象。化学反应的高速度、大量气体和大量热量是

4、这类爆炸的三个基本要素。 二、化学性爆炸物质 1 、简单分解的爆炸物 这类物质在爆炸是分解为元素，并在分解过程中产生热量。 2 、复杂分解爆炸物，如含氮炸药。 3 、可燃性混合物由可燃物质与助燃物质组成的爆炸物质。实际上是火源作用下的一种瞬间燃烧反应。可燃气体混合物的爆炸是一种化学性爆炸。三、爆炸极限1 、概念 可燃气体、可燃液体蒸气或可燃粉尘与空气混合并达到一定浓度时，遇火源就会燃烧或爆炸。这个遇火源能够发生燃烧或爆炸的浓度范围，称为爆炸极限。通常用可燃气体在空气中的体积百分比（）表示.可燃气体、可燃蒸汽或可燃粉尘与空气构成的混合物，并不是在任何混合比例之下都有着火和爆炸的危险，而是必须在一

5、定的浓度比例范围内混合才能发生燃爆。混合的比例不同，其燃烧速度,爆炸的危险亦不同。实验得知,当混合物中可燃性气体含量接近于化学计算量时,即理论上在空气中完全燃烧时该物质的含量,燃烧速度最快,爆炸的危险最大.混合物中可燃气体浓度减小到最小（或增加到最大），恰好不能发生爆炸时的可燃气体体积浓度分别叫爆炸下限和爆炸上限。爆炸上限和爆炸下限统称为可燃气体的爆炸极限.举例: CH4在空气中的爆炸极限为5-15%vol,就是说当CH4和空气组成的混合气体中CH4的浓度(以体积百分比计)达到5%时,遇着火源就可以发生爆炸, 5%vol就称为CH4气体的爆炸下限.爆炸下限LEL是英文Lower Explosi

6、ve Limit的缩写,当空气中的可燃气体或蒸汽的体积比低于LEL,将不会形成爆炸气体环境.当CH4和空气组成的混合气体中CH4的体积百分比浓度高于15%时,该混合气体不会发生爆炸, 这时15%vol就称为CH4气体的爆炸上限. 爆炸上限UEL是英文Upper Explosive Limit的缩写,当空气中的可燃气体或蒸汽的体积比超过UEL,将不会形成爆炸气体环境.爆炸气体环境:在正常的大气条件下由气体、蒸气形成的可燃气体混合物,在遇火源之后燃烧可彻底进行 (即发生爆炸),这样的环境就是爆炸气体环境.虽然浓度超过爆炸极限的混合物并不是理论上的爆炸环境,但为安全考虑,在某些情况下为分类目的,将其

7、作为爆炸环境考虑是合适的.爆炸下限和爆炸上限之间的可燃气体浓度范围叫爆炸范围.CH4在常温常压下的爆炸范围是:5-15%vol.可燃气体混合物在不同的温度和不同的压力下其爆炸范围是不同的.以下是天然气在不同压力下的爆炸极限:在常压下为 5 % 15 % ；在 1 MPa 时爆炸极限为 5.7 % 17 % ；在5 MPa 时爆炸极限为 5.7 % 29.5 % 。爆炸性混合物中极限氧浓度:当氧浓度降低到低于某一个值时，无论可燃气体的浓度为多大，混合气体也不会发生爆炸，这一浓度称为极限氧浓度。极限氧浓度可以通过可燃气体的爆炸上限计算。如甲烷在 1 个大气压下的爆炸上限为 15% ，当甲烷含量达到

8、 15% ，空气的含量占 85 % ，这时氧的含量为 17.85% ，即甲烷与空气混合，当氧的含量低于 17.85 % 时，便不会形成达到爆炸极限的混合气。在实际应用中，对极限氧浓度取安全系数，得到最大允许氧含量。天然气的最大允许氧含量可取 2% 。2 、爆炸极限的影响因素 爆炸极限是在常温、大气压力等标准条件下测定出来的，这一范围随着温度、压力和氧含量的变化而有变化。（ 1 ）温度 混合物的原始温度越高，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸极限范围扩大。 （ 2 ）氧含量 混合物中含氧量增加，爆炸极限范围扩大，尤其爆炸上限提高得更多。 （ 3 ）惰性介质 在爆炸混合物中掺入不燃烧的惰性气体，随着比

9、例增大，爆炸极限范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物变成不能爆炸。 （ 4 ）压力 原始压力增大，爆炸极限范围扩大，尤其是上限显著提高。 原始压力减小，爆炸极限范围缩小。在密闭的设备内进行减压操作，可以免除爆炸的危险。 （ 5 ）容器 容器直径越小，混合物的爆炸极限范围越小。3 、爆炸极限的应用 （ 1 ）划分可燃物质的爆炸危险度.爆炸极限范围越宽,下限越低,爆炸危险性也就越大.（ 2 ）评定和划分可燃物质标准 （ 3 ）根据爆炸极限选择防爆电器（ 4 ）确定建筑物耐火等级、层数（ 5 ）确定防爆措施和操作规程 四、防爆技术基本理论 1 、爆炸反应的历程热反应的爆炸和支链反应爆炸

10、历程有分别。热反应的爆炸：当燃烧在某一空间内进行时，如果散热不良会使反应温度不断提高，温度的提高又促使反应速度加快，如此循环进展而导致发生爆炸。支链反应爆炸：爆炸性混合物与火源接触，就会有活性分子生成，构成连锁反应的活性中心，当链增长速度大于链销毁速度时，游离基的数目就会快速增加，反应速度也随之急剧加快，如此循环发展，瞬间使反应速度加快到爆炸的等级。爆炸是以一层层同心圆球面的形式向各方面蔓延的。2 、可燃物质化学性爆炸的条件(爆炸性混合物爆炸的三要素)（ 1 ）存在着可燃物质，包括可燃性气体、蒸汽或粉尘。 （ 2 ）可燃物质与空气混合并且达到爆炸极限，形成爆炸性混合物。（ 3 ）爆炸性混合物在

11、点火能作用下。3 、燃烧和化学性爆炸的关系 本质是相同的，都是可燃物质的氧化反应。区别在于氧化反应速度不同。 火灾和爆炸发展过程有显著的不同。二者可随条件而转化。火灾有初期阶段、发展阶段和衰弱阶段。 扩散燃烧和动力燃烧 扩散燃烧 如果可燃气体和空气没有混合并点燃，燃烧在可燃气体和空气的界面（反应区），并形成稳定的火焰，称为扩散燃烧。 动力燃烧 如果可燃气体和空气充分混合并点燃，氧分子和可燃气体分子不需扩散就可以迅速结合，这种燃烧称为动力燃烧。由于化学反应速度非常快，反应区火焰会迅速从引燃位置向周围传播，发生爆炸。 化学性爆炸过程是瞬间完成的。4 、防爆技术的基本理论防止产生化学性爆炸的三个基本

12、条件的同时存在，是预防可燃物质化学性爆炸的基本理论。 5 、防爆技术措施可燃混合物的爆炸虽然发生于顷刻之间，但它还是有个发展过程。首先是可燃物与氧化剂的相互扩散，均匀混合而形成爆炸性混合物，并且由于混合物遇着火源，使爆炸开始； 其次是由于连锁反应过程的发展，爆炸范围的扩大和爆炸威力的升级； 最后是完成化学反应，爆炸力造成灾害性破坏。防爆的基本原则是根据对爆炸过程特点的分析，采取相应的措施。阻止第一过程的出现，限制第二过程的发展，防护第三过程的危害。 其基本原则有以下几点：（ 1 ） 防止爆炸混合物的形成； （ 2 ） 严格控制着火源；（ 3 ） 爆炸开始就及时泄出压力； （ 4 ） 切断爆炸传

13、播途径；（ 5 ） 减弱爆炸压力和冲击波对人员、设备和建筑的损坏；（ 6 ） 检测报警。附录(表1-1):部分气体的理化特性和爆炸限一览表（本表摘自日本RIKEN产品资料）气体名称,理化特性,爆炸限一览表 (表1-1)气体名称分子式引燃温度闪点爆炸极限（VOL%）气体比重(空气=1）爆炸下限爆炸上限丙烯酸乙酯 ethyl acrylateCH2:CHCOO.C2H5372101.4143.45丙烯酸甲酯 methyl adrylateCH2:CHCOO.CH3415-32.4252.97丙烯晴 acrylonitrileCH2:CHCN,AN480-52.8281.83乙炔 acetylene

14、CH:CH305气体1.51000.90乙醛 acetaldehydeCH3CHO140-384.0571.52乙晴 acetonitrileCH3CN52463.0161.42丙酮 acetoneCH3COCH3535-192.15132.00氨 ammoniaNH3630气体15.0280.59一氧化碳 carbone monoxideCO605气体12.5740.97乙醇 ethanolC2H5OH425123.3191.59乙烷 ethanolC2H6515气体3.015.51.04乙苯 ethylbenzeneC6H5C2H5431151.06.73.66乙烯 ethyleneCH2

15、:CH2425气体2.7340.97环氧乙烷 ethylene oxideCH2CH2O440气体3.01001.522-乙氧基乙醇 2-eyhoxyethanolCH2OH,CH3,O,C2H5235431.715.63.10氯乙烷 ethyl chlorideC2H5CL510-503.615.42.22二氯乙烯 vinyl chlorideCH2CHCL2415气体3.829.32.16氯甲烷 methyl chlorideCH3CL632气体8.117.41.78辛烷 octaneC8H18210120.86.53.94邻二甲苯 O-xyleneC6H4(CH3)465301.07.6

16、3.66乙酸 acetic acidCH3COOH485404.0172.07醋酸乙酯 ethyl acetateCH3COO.C2H5460-42.111.53.04醋酸乙烯酯 vinyl acetateCH3COO.CH.CH12385-82.613.42.98醋酸丁酯 butyl acetateCH3.(CH2)2.CH2CH3COO370221.484.01醋酸甲酯 methyl acetateCH3COO.CH3475-103.1162.56二乙醚 diethyl etherC2H5OC2H5170-451.7362.551，4-二哑烷 1,4-dioxaneC4H8O2375111

17、.922.53.03环丙烷 cyclopropaneCH2CH2CH2495气体2.410.41.45环己酮 cyclohexanoneCH2(CH2)4CO,(C6H10O)419431.49.43.38环己烷 cyclohexaneCH2(CH2)4CH2245-201.38.32.90二甲胺 dimethylamine(CH3)2NH400气体2.814.41.55二甲醚 dimethylether240气体3.0271.59氢 hydrogenH2560气体4.075.60.07苯乙烯 styreneC6H5CH:CH2490321.183.59葵烷 decane205460.75.4

18、4.90四氢味喃 tetrahydrofuranCH2(CH2)2CH2O230-202.012.42.49三乙胺 triethylamamine(C2H5)3N-6.71.283.51甲苯 tolueneCH3,C6H553561.273.18哗啶 pyridineC5H5N550171.8122.731，3-丁二烯 1,3-butadieneCH2CHCHCH3415气体1.112.51.87庚烷 heptaneCH3(CH2)5CH3215-41.16.73.46气体名称分子式引燃温度闪点爆炸极限（VOL%）气体比重(空气=1）爆炸下限爆炸上限苯 benzeneC6H6555-111.2

19、82.70戊烷 pentaneC2H12260-401.57.82.50甲基丙烯酸甲酯 methy methocrylateC3H5,CO,OCH3430102.112.53.45甲醇 methanolCH3OH455115.5441.111-丁醇 1-butanolC4H9OH340291.411.32.55丁烷 butaneCH3CH2CH2CH3365气体1.58.52.05丙烷 propaneCH3CH2CH3470气体2.09.51.56丙烯 propyleneCH3CH,CH2410气体2.011.71.49己烷 hexanen-CH3(CH2)4CH3233-211.27.42.

20、79甲烷 methaneCH4537气体5.0150.55甲胺 methylamineCH3NH2430气体5.020.71.07-甲基苯乙烯-methylatyrene574.453.91.96.14.10汽油 gasoline260-201.073-4煤油 kerosine210380.754.50异丁烷 isobutane(CH3)2CHCH3460气体1.88.52.05第二节 气体检测原理本节介绍:几种气体传感器的检测原理介绍,仪器的分类和选型,有关术语,定义,气体定律及气体浓度的表示方法和换算举例,气体检测原理中爆炸极限与燃烧热的关系,不同气体之间的存在响应曲线关系.一.有关术语,

21、气体定律及气体浓度的表示方法和换算举例有关的术语、定律及浓度的表示方法和换算举例1、物质的量的单位摩尔摩尔是一体系的物质的量，该体系中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等。在使用摩尔时，应指明基本单元是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。摩尔用来代表特定数目的粒子，也可以用来代表以克为单位的特定质量。1摩尔的物质具有结构粒子数应是Avogadro常数，例如：1摩尔Fe原子=6.021023Fe原子1摩尔CO2分子=6.021023CO2分子1摩尔C1-离子=6.021023C1-离子1摩尔C-C键=6.021023C-C键。摩尔代表物质的1克式量。 例

22、如：1摩尔Fe=1克式量Fe=55.85 gFe1摩尔CO2=1克式量CO2=12.01g+216.00g =44.01 gCO21摩尔NaCl=1克式量NaCl=58.44 NaC1当一种物质由单个原子(如Fe、CH4)组成时，摩尔和克原子量具有相同的质量并代表相同粒子数目(6.021023)对于分子型物质(如CO2、H2、CH4)摩尔和克分子量具有相同的质量并代表相同的粒子数目(6.021023)了解物质的量的单位摩尔, 有助于理解气体浓度或含量的不同表示法之间的换算.可燃性气体的爆炸是可燃气体、可燃液体蒸气与空气混合物的爆炸, 关于气体浓度或含量有多种不同表示法, 常见的有质量比、体积比

23、、摩尔比等。2、气体定律气体是物质的一种状态。一种物质的分子在气体状态中彼此之间有着比较大的间距。均匀地充满空间，无规则运动，互相之间不停地碰撞。运动随温度的升高而加剧，阻碍分子结合。因此，气体能发生变形，当压力和温度变化时，其体积就会有大的改变。气体可分为理想气体和实际气体。在自然界中存在的所有气体都是实际气体。它是由分子组成，具有一定的体积。它们之间与分子力在起作用，人们称它为“范德华力”。在理想气体状态中，分子可理解为点状的，忽略本身所占有的体积，并假设它们之间没有作用力。在压力相当小，温度相当高时，可以把许许多多自然气体和工业气体看作理想气体，用理想气体状态方程式进行计算。理想气体定律

24、：理想气体定律是一个用来描述气体四个基本变量之间关系的方程式。这个定律通常以下式表示：PV=nRT式中P是压力、V是体积、n是气体摩尔数、T是以Kelvin温标表示的气体绝对温度(开氏温标绝对温度0K=-273)。数值R称为气体常数，对理想气体而言，如果压力、温度和体积都采用SI单位，R=8.31Pam3/molKPV=nRT nR= =-(状态方程式)当T一定时, = 即温度一定时,气体的压力与体积成反比. 当P一定时, =或= ,即压力一定时,气体的体积与温度成正比.当V一定时, =或= ,即体积一定时,气体的压力与温度成正比.Dalton分压定律容器内的总压力等于组成气体各分压力之和。某

25、种气体的分压等于与混合气体相同的温度下该气体在容器中单独存在时所具有的压力。3、气体浓度表示方法按目前实际采用以下方法表示气体的浓度或含量，其表示方式及单位符号见表2-1。混合气组分的浓度：某一组分的质量与在规定的温度、压力条件下该混合气的体积之比。质量比：某组分的质量与该混合气质量之比。体积比：在规定的温度和压力条件下，某组分的体积与该混合气体积之比。摩尔比：某组分的摩尔数与该混合气摩尔数之比。压力比：某组分的压力与该混合气的压力之比。 气体浓度表示法(表2-1)浓度表示单位和符号高浓度低浓度浓 度g/m3mg/m3质 量 比%(m/m)10-6(m/m)体 积 比%(V/V)10-6(V/

26、V)摩 尔 比%(mol/mol)10-6(mol/mol)压 力 比%(P/P)10-6(P/P) 4、气体浓度或含量的不同表示法之间的换算只要了解以下关系，就不难在气体浓度或含量的不同表示法之间进行正确换算：1) 理想气体状态方程式 PV=nRT2) 物质质量g与该物质摩尔数n的关系n=，式中M为物质的克分子量。3) 在一定温度，压力某物质质量g，与该物质体系V的关系V=Vmol式中Vmol为物质在一定温度和压力条件下的摩尔体积。一些常见气体在0C，101.3kPa下的Vmol(摩尔体积)见下表(表2-2)气体名称摩尔体积(升)气体名称摩尔体积(升)空气22.40甲 烷22.36氮22.4

27、0乙 烷22.16一氧化碳22.40丙 烷22.00氧22.39正 丁 烷21.50一氧化氮22.39异 丁 烷21.78氩22.39正 戊 烷20.87氢22.43乙 烯22.24氖22.43丙 烯21.96例1: mg/m3 mol/mol 将20C，101.3kPa下浓度为100mg/m3的 CO/N2表示为摩尔比的换算:a. 从查表三可知，N2在0C，101.3kPa下摩尔体积为22.40升，根据理想气体方程可以计算出20C，101.3kPa下N2的摩尔体积为V20=22.4升=24.04升，b. 计算N2的摩尔数nN2因1 立方米等于1000升，因此，在20C，101.3kPa下nN

28、2=41.60 mol。c. 计算CO的摩尔数nco因CO的分子量为28，因此nco=3.5710mol至此，可以计算出以摩尔比表示的含量为=85.810 (mol/mol)例2：mol/mol V/V将在0C，101.3kPa下含量为10010-6(mol/mol)氮中异丁烷表示为体积比的换算:根据查表三知道0C，101.3kPa下氮和异丁烷的摩尔体积分别为22.40和21.78因此以体积比表示的含量为：=97.210 (V/V)例3：V/V mol/mol将0C，101.3kPa下体积比含量为1.10%(V/V)空气中异丁烷表示为摩尔比的换算:1.10%(V/V)即表示在100份的此混合物中含有1.10份体积的异丁烷98.9份体积的空气，这样此混合物的摩尔比就可以用下式计算：(V/V)= = =1.13% (mol/mol)5、测爆仪及其指示值测爆仪是可燃气体检测报警仪的俗称,是指非矿井作业环境下空气中可燃性气体爆炸下限以内浓度的测定和警报的