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II

E

I W

Q

III

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αn W 2/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

)1(/2E Q E W nW E

nW +===αααβ （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

1)1(=+E Q α （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

)1(K 1E Q L +=下 （2.3）

当Q 与E 相比很大时，上式可以近似写成

E Q K 1=下L （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L ˋ下，有L 下＝100L ˋ下273

2027310004.22+⨯⨯M ，于是

M ’下下2.4L L = （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

2.4qL ˋ下＝常数 （2.7）

可见对于烃类化合物，其L ˋ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＝0．55C 0 （2.8）

式中 C 0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，C 0的计算式则为

000209.09.20100209

.011n n C +=⨯+= （2.9） 式中 n 0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CH 4+2O 2→CO 2+2H 2O ，这里n 0＝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

0.567.1L 下上=L （2.10） 如果在爆炸上限附近不伴有冷火焰，上式可简化为

下上L 6.5L = （2.11） 把上式代入式(2.9)，可得

0C 8.4=上L （2.12）