爆炸极限计算

有机物爆炸极限
x下＝0.55 x0
x 上＝4.8
x0
A＋nO2＋3.76nN2→生成物
有机可燃气A在空气中的化学计量浓度为
x0
%

1
100 4.76n
%
如：甲烷：n=2 x0%= 9.5%， x下= 5.2%，x上= 14.7%
10
（3）通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限
x1Q1 x2Q2 Cx
➢ 惰化能力：
CCl4 > CO2 > H2O > N2 > He > Ar
图4-23 各种惰性气体对甲烷爆炸极限的影 响
7
❖ （4）容器
✓ 容器管子直径越小、爆炸极限范围越 小。
✓ 同一可燃物质，管径越小，其火焰蔓 延速度亦越小。当管径（或火焰通道） 小到一定程度时，火焰即不能通过。 这一间距称最大灭火间距，亦称临界 直径(消焰径）。当管径小于最大灭火 间距，火焰因不能通过而被熄灭。
x下＝
V V'

100%

V
100%
V1 100 V2 100 V3 100 Vi 100
x1下
x2下
x3下
xi下
（5）设

100
%
V1 /V 100 V2 /V 100 V3 /V 100 Vi /V 100
x1下
x2下
x3下
xi下
P1＝
V1 V
气体混合
物
CO2
O2
CO
H2
CH4
下限 上限
N2
％
％
下 限 ％
上 限 ％
水煤气
6.2 0.3 39.2 49.2 2.3 3.0 6.1 65.4 6.9 69.5
半水煤气 7.0 0.2 32.0 40.0 0.8 20.0 7.6 70.0 8.1 70.5
发生炉煤 气
6.2
0 27.3 12.4 0.7 53.4 19.0 71.0 20.3 73.7
➢4.4.4 爆炸极限的经验公式
1）通过1摩尔可燃气在燃烧反应中所需氧原子的摩尔数（N）计算
有机可燃气爆炸极限（体积百分数）
x下＝ 4.761N0－0 1＋1％

x
上＝
400 4.76N
4
％

如：甲烷：N=4 x下= 6.5%， x上= 17.3%，
9
（2）利用可燃气体在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算
（4）多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算
➢莱—夏特尔公式
x
100
%
P1 P2 P3 Pi
N1 N2 N3
Ni
➢莱—夏特尔公式的证明如下：
➢证明时的指导思想：将可燃混合气体中的各种可燃气与空气组成一组，其 组成符合爆炸下限时的比例，可燃混气与空气组成的总的混合气体为各组之 和。
x1下＝
V1 V' 1
100
x
2下＝
V2 V' 2
100
x3下＝
V3 V' 3
100
… xi下＝
Vi V' i
100
V'1
＝
V1 x1下
100
V'
2
＝
V2 x 2下
100
V'
3
＝
V3 x 3下
100
…
V' i
＝ Vi x i下
100
12
4）设总的可燃混气的爆炸下限为x下。则有
❖ 如果可燃混气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其爆炸极 限时，仍然利用莱—夏特尔公式
❖ 但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看 成一种可燃气体成分。
❖ 比如：H2+N2, CO+CO2, CH4 ❖ 该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃
气体体积百分含量之和。 ❖ 而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组
图4-22 不同压力下氢气爆炸极限 1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为 37×8cm；2．端部或中心点，球形 容器；3．火焰向下传播，圆筒容器
6
❖ （3）惰性介质即杂质
✓ 若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰 性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸
➢ 加入惰性气体， 爆炸上限显著下降 爆炸下限略有上升 最终合为一点 ——爆炸临界点
➢当混合气燃烧时，其波面上的反应如下式： A＋B→C＋D＋Q
E W
➢反应热Q=W-E
A＋B
C＋D
1
➢ 设燃烧波内反应物浓度为n 则单位体积放出能量为nw。 燃烧波向前传递，使前方分子活化，活化概率为α（α≤1） 则活化分子的浓度为αnW/E。第二批活化分子反应后再放出能量为αnW2/E。
➢前后两批分子反应时放出的能量比为 nW 2 / E W 1 Q
CH4的爆炸极限为：5％～15％
1m3该煤气和 19m3空气混合， 遇明火是否爆炸？
x下

18.6
100 80.7

0.7
%＝19％
6.0 40 5.0
x上

18.6
100 80.7

0.7
%＝70.53％
70 7.30 15
19
表4-7
某些气体混合物的爆炸浓度极限
气体组成（％）
计算值
实验值
Βιβλιοθήκη Baidu
11
1）设各种可燃气体积为：V1，V2，V3，……，Vi。则总的可燃气体积为
V＝V1+V2+V3+……+Vi
2）设各组可燃气—空气在爆炸下限时的体积为： V’1，V’2，V’3，……，V’I 。
则总的可燃混气—空气体积为 V′＝ V’1+V’2+V’3，……，V’I
3）设各种可燃气爆炸下限为：x1下，x2下，x3下，…xi下。则
解： 乙烷：P1=40% 丁烷：P2=60%
x下＝
100 40 60
%

2.0%
3 1.6
x上＝
100 40 60
% 9.7%
12.5 8.5
混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%
2.0% < 5% < 9.7% 故，该混合气体遇火爆炸。
14
例题
➢ 有混合气体含C2H6 1%，C4H10 1.5%，其余为空气。该 混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空 气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、
城市煤气 2.5 0.5 10.5 47.0 29.0 10.5 5.4 31.6 5.6 31.7
焦炉煤气
1.9
0.4
6.3 54.4 35.4 1.6
4.5
28.1 5.0 28.4
20
合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱— 夏特尔公式进行计算。
16
图4-25 氢、一氧化碳、甲烷与氮、二氧化碳混合气体在空气中的爆 炸极限
17
图4-26 乙烷、丙烷、丁烷和氮、二氧化碳 混合物气体在空气中的爆炸极限
18
例4—1 求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4％；CO一27.3 ％；CO2一6.2％；O2一0％；CH4一0.7％；N2一53.4％。
nW
E E
➢当β<1时，表示反应系统在受能源激发后，放热越来越少，也就是说，引起反 应的分子数越来越少，最后反应停止，不能形成燃烧或爆炸。 ➢当β＝1时，表示反应系统在受能源激发后能均衡放热，有一定数量的分子在 持续进行反应。这就是决定爆炸极限的条件（严格说稍微超过一些才能爆炸）。 ➢当β>1时，表示放热量越来越大，反应分子越来越多，形成爆炸
2
在爆炸极限时，β＝1
1 Q 1
E
设爆炸下限为L下（体积百分比）与反应概率α成正比，
即
KL下
1 ＝K1＋Q L下 E
当Q与E相比较大时，上式可近似写做
1 ＝K Q
L下
E
各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出 ：
L下 Q＝常数
爆炸下限L下与可燃性气体的燃烧热Q近于成反比，可燃性气体燃烧热 越大，爆炸下限就越低。
3
➢ 4.4.2爆炸极限的影响因素
❖ （1）初始温度
✓ 爆炸性混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下 限降低而爆炸上限增高
图4-19 温度对甲烷爆炸极限的影响
图4-20 温度对氢气爆炸极限的影响
4
温度对丙酮爆炸极限的影响
混合物温度，℃
爆炸下限，％
爆炸上限，％
0
4.2
8.0
50
4.0
9.8
解 分组：CO2+H2；N2+CO；CH4 CO2+H2： 6.2％+12.4％＝18.6％；
CO 2 H2
＝162..24％％＝0.5
N2+CO：27.3％+53.4％＝80.7％；
N2 CO
＝
5237..43％ ％＝1.96
CH4：0.77％。
问题：
从图4—25查得：
H2＋CO2组的爆炸极限为：6.0％～70％； CO＋N2组的爆炸极限为：40％～73％。
1.6%）
解：可燃气体总浓度＝1%＋1.5%＝2.5%
乙烷：P1＝1/2.5=40% 丁烷：P2=1.5/2.5=60%
x下＝
100 40 60
%

2.0%
3 1.6
x上＝
100 40 60
% 9.7%
12.5 8.5
2.0% < 2.5% < 9.7% 故，该混合气体遇火爆炸。
15
（5）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法
100
P2＝
V2 V
100
P3＝
V3 V
100
…
Pi＝
Vi V
100
x下＝ P1

P2
100 P3

Pi
%
x1下 x 2下 x 3下
x i下
13
例题
➢ 有燃气体含C2H6 40%，C4H10 60%，取1m3该燃气与19m3空气混 合。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气 中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）
4.4 爆炸极限理论及计算
➢ 4.4.1 爆炸极限理论
❖ 爆炸下限 ❖ 爆炸上限 ❖ 混合爆炸物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，阻止了火焰的蔓延，此时，活化中心的销毁数 大于产生数。 ❖ 同样，浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃性物质，空气 非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延。但此时若补 充空气同样有火灾爆炸的危险
❖ （5）点火能源
✓ 火花的能量、热表面的面积、火源与 混合物的接触时间等，对爆炸极限均 有影响
图4-24 火源能量对甲烷爆 炸极限的影响 （常压，26℃）
8
➢ 4.4.3 爆炸极限的测定
❖ 爆炸极限的测定一般采用传播法
❖ 测试原理：首先将爆炸管内抽成真空，然后充以一定浓度的可燃气 与空气的混合气体，用循环泵使可燃气混合均匀，再用电极点火， 观察火焰传播情况。火焰传播的最低浓度或最高浓度（可燃气的体 积百分含量），即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。
100
3.2
10.0
❖ （2）初始压力
✓ 一般压力增大，爆炸极限扩大 ✓ 压力降低，则爆炸极限范围缩小 ✓ 待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为
爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸
5
图4-21 不同压力下甲烷爆炸极限 1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为 37×8cm；2．端部或中心点，球形 容器；3．火焰向下传播，圆筒容器