爆炸极限的基本概述

爆炸极限的影响因素

【大纲考试内容要求】：

1.了解爆炸极限的影响因素；

2.了解爆炸反应浓度的计算；

【教材内容】：

爆炸极限值不是一个物理常数，它是随实验条件的变化而变化，在判断某工艺条件下的爆炸危险性时，需根据危险物品所处的条件来考虑其爆炸极限，如在火药、起爆药、炸药烘干工房内可燃蒸气的爆炸极限与其他工房在正常温度下的极限是不一样的，在受压容器和在正常压力下的爆炸极限亦有所不同；其他因素如点火源的能量，容器的形状、大小，火焰的传播方向，惰性气体与杂质的含量等均对爆炸极限有影响。

1．温度的影响

混合爆炸气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸危险性增加。这是因为在温度增高的情况下，活化分子增加，分子和原子的动能也增加，使活化分子具有更大的冲击能量，爆炸反应容易进行，使原来含有过量空气(低于爆炸下限)或可燃物(高于爆炸上限)而不能使火焰蔓延的混合物浓度变成可以使火焰蔓延的浓度，从而扩大了爆炸极限范围。例如丙酮的爆炸极限受温度影响的情况见表2—1。

2．压力的影响

混合气体的初始压力对爆炸极限的影响较复杂，在0.1～2.0 MPa的压力下，对爆炸下限影响不大，对爆炸上限影响较大；当大于2.0 MPa时，爆炸下限变小，爆炸上限变大，爆炸范围扩大。这是因为在高压下混合气体的分子浓度增大，反应速度加快，放热量增加，且在高气压下，热传导性差，热损失小，有利于可燃气体的燃烧或爆炸。甲烷混合气初始压力对爆炸极限的影响见表2 —2。

值得重视的是当混合物的初始压力减小时，爆炸极限范围缩小，当压力降到某一数值时，则会出现下限与上限重合，这就意味着初始压力再降低时，不会使混合气体爆炸。把爆炸极限范围缩小

为零的压力称为爆炸的临界压力。甲烷在3个不同的初始温度下，爆炸极限随压力下降而缩小的情况如图2—4所示。因此，密闭设备进行减压操作对安全是有利的。

3．惰性介质的影响

若在混合气体中加入惰性气体(如氮、二氧化碳、水蒸气、氩、氮等)，随着惰性气体含量的增加，爆炸极限范围缩小。当惰性气体的浓度增加到某一数值时，使爆炸上下限趋于一致，使混合气体不发生爆炸。这是因为加入惰性气体后，使可燃气体的分子和氧分子隔离，它们之间形成一层不燃烧的屏障，而当氧分子冲击惰性气体时，活化分子失去活化能，使反应键中断。若在某处已经着火，则放出热量被惰性气体吸收，热量不能积聚，火焰不能蔓延到可燃气分子上去，可起到抑制作用。惰性气体氩、氦，阻燃性气体CO2及水蒸气、四氯化碳的浓度对甲烷气体爆炸极限的影响如图2—5所示。

由图2—5可知混合气体中惰性气体浓度的增加，使空气的浓度相对减少，在爆炸上限时，可燃气体浓度大，空气浓度小，混合气中氧浓度相对减少，故惰性气体更容易把氧分子和可燃性气体分子隔开，对爆炸上限产生较大的影响，使爆炸上限剧烈下降。同理混合气体中氧含量的增加，爆炸极限范围扩大，尤其对爆炸上限提高得更多。可燃气体在空气中和纯氧中的爆炸极限范围比较见表2—3。

表2—3可燃气体在空气和纯氧中的爆炸极限范围

物质名称在空气中的爆炸极限

／％范围在纯氧的爆炸极限

／％

范围

甲烷 4.9～15 10.1 5～61 56.0 乙烷3～15 12.0 3～66 63.0 丙烷 2.1～9.5 7.4 2.3～55 52.7 丁烷 1.5～8.5 7.0 1.8～49 47.8

4．爆炸容器对爆炸极限的影响

爆炸容器的材料和尺寸对爆炸极限有影响，若容器材料的传热性好，管径越细，火焰在其中越难传播，爆炸极限范围变小。当容器直径或火焰通道小到某一数值时，火焰就不能传播下去，这一直径称为临界直径或最大灭火间距。如甲烷的临界直径为0.4～0.5m m，氢和乙炔为0.1～0.2 mm。目前一般采用直径为50 mm的爆炸管或球形爆炸容器。

5．点火源的影响

当点火源的活化能量越大，加热面积越大，作用时间越长，爆炸极限范围也越大。图2—6是电点火能量对甲烷、空气混合气体爆炸极限的影响。从图中可以看出，当火花能量达到某一值时，爆炸极限范围受点火能量的影响较小，如图2—6中，当点火能量为l0J时，其爆炸极限范围趋于稳定值，为6％～15％。所以，一般情况下，爆炸极限均在较高的点火能量下测得，如测甲烷与空气混合气体的爆炸极限时，用10J以上的点火能量，其爆炸极限为5％～15％。

【例题】：以下有关爆炸极限影响因素说法错误的是（）。

A. 混合爆炸气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽

B. 当混合气体的初始压力小于2.0 MPa时，爆炸下限变小，爆炸上限变大，爆炸范围扩大

C. 随着惰性气体含量的增加，爆炸极限范围缩小

D. 点火源的活化能量越大，爆炸极限范围也越大

【答案】：B

爆炸反应浓度、爆炸温度和压力的计算

(二)爆炸反应浓度、爆炸温度和压力的计算

1．爆炸完全反应浓度计算

爆炸混合物中的可燃物质和助燃物质完全反应的浓度也就是理论上完全燃烧时在混合物中可燃物的含量，根据化学反应方程式可以计算可燃气体或蒸气的完全反应浓度。现举例如下：

[例]求乙炔在氧气中完全反应的浓度。

[解]写出乙炔在氧气中的燃烧反应式：

2C2H2+502 = 4C02+2H20+Q

根据反应式得知，参加反应物质的总体积为2+5 = 7。若以7这个总体积为100，则2个体积的乙炔在总体积中占：

Xo = 2/7 = 28．6％

答：乙炔在氧气中完全反应的浓度为28．6％。

可燃气体或蒸气的化学当量浓度，也可用以下方法计算。

燃气体或蒸气分子式一般用CαHβOγ表示，设燃烧1 mol气体所必需的氧的物质的量为n，则燃烧反应式可写成：

CαHβOγ+ nO2→生成气体

如果把空气中氧气的浓度取为20．9％，则在空气中可燃气体完全反应的浓度x(％)一般可用下式表示：

1 20.9

X = ————= ——————% (2—4)

n 0.209+ n

又设在氧气中可燃气体完全反应的浓度为X0(％)，即：

100

X0 = ——% （2—5）

1+n

式(2—4)和式(2—5)表示出X和X。与n或2n之间的关系(2n表示反应中氧的原子数)。

在完全燃烧的情况下，燃烧反应式为：

CαHβOγ+ nO2→αCO2+ 1/2βH2O

式中2n = 2α+1/2β-γ，对于石蜡烃β=2a+2。因此，2n = 3a+1-γ。根据2n的数值，从表2 4中可直接查出可燃气体或蒸气在空气(或氧气)中完全反应的浓度。

[例]试分别求H2、CH3OH、C3H8 C6H6在空气中和氧气中完全反应的浓度。