第4章 气体爆轰理论

Lmax
400 % 9.52n0 4
式中
Lmin——可燃混合气体的爆炸下限
Lmax——可燃混合气体的爆炸上限
24
4.2.2爆炸浓度极限的计算 【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O
Lmin 100 % 4.762n0 1 1
100 % 2.28% 4.7610 1 1
解：
则
801.72103 1000 Qe 2.637106 J kg 16 64 8 28
D 2 k 2 1 Qe 2 1.28 2 1 2.637 10 6 1835 m s
第4章 气体爆轰理论
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本章主要内容

4.1气体爆轰现象 4.2爆炸浓度极限及其确定方法 4.3气体爆轰参数的计算 4.4 螺旋爆轰现象及胞格结构 4.5影响气体爆轰传播的因素 4.6云雾爆轰现象
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4.1 气体爆轰现象
3
4.1气体爆轰现象

凡是在常温常压下以气态存在，经撞击、摩
100 % 14.1% 0.80 0.15 0.04 0.01 0.15 0.125 0.095 0.085
以上公式均没考虑温度、压力等因素的影响
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4.3 气体爆轰参数的计算
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4.3 气体爆轰参数的计算

本节主要介绍气体爆轰参数的近似计算。
假定：
（1）k k k，即认为 k 与气体温度和组分无关； 0 j （2）原始混合物的压力 p0与CJ压力 p j 相比可以忽略。 则爆轰波的Hugoniot方程变为：
支持前沿冲击波去激发下层混合气体的化学反应。
即使没有任何能量耗散，也不能使爆轰波稳定传 播。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限 在混合气体的爆炸浓度范围内，存在 一个最佳浓度。这时，爆速最大、压力和反 应放出热也最大。从安全角度看，最佳浓度 时的威力最大、破坏效应也最严重，如图41所示。
图4-1 浓度和爆速的关系（C2H2＋O2）
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4.2.2爆炸浓度极限的计算
（3）北川法计算爆炸浓度上限

此法是由日本北川彻三提出来的。他认为，在 各有机同系物中，可燃气分子中的碳原子数a 与可燃气达到爆炸上限所必需的氧摩尔数no之 间存在着直线关系。如果是烷烃，其关系为：
n0 0.25a 1.25
Lmax
n0 0.25a 1

在减压的情况下，随着压力的降低，爆炸范围不
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断缩小。当压力降到某一数值时，则会出现上限
浓度和下限浓度重合。如果压力再继续下降，则
混合气便不会爆炸了，这一压力称为爆炸极限的
临界压力。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限 （4）惰性气体
在可燃混合气中添加惰性气体，可使混合气体
爆炸范围缩小。当惰性气体大于一定浓度时，混
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4.2.1 气体爆炸浓度极限 表4-1混合气体的爆炸浓度范围
注意:表中的爆炸浓度极限(explosive limit)和爆轰浓度 极限的区别。工程上，爆炸浓度极限通常包括爆燃部分。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限

当可燃物含量很稀或很浓时，化学反应进行很慢，
单位时间内放出的总化学反应能量较小，就不能
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4.3 气体爆轰参数的计算
需要注意的是：
（1）作为一种近似估算，Qe , k, M j , n j 可按近似的爆炸
反应式确定；
Qe 的单位是单位质量（1kg）爆炸物的定容比 （2 ）
热 J kg；
（3） n j 为1kg爆炸物爆炸后形成气体产物的摩尔数。
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4.3 气体爆轰参数的计算 【例】已知混合气爆炸反应式为： CH4+2O2+8N2——CO2+2H2O+8N2+801.72KJ 试求该混合爆炸物的爆速D。（k＝1.28）
6
4.1气体爆轰现象



分解爆炸性气体：如乙烯、乙炔、环氧乙烷、炳 二烯等。它们不需要与助燃气体混合，本身就会 发生爆炸。 可燃气体是与外界的空气或氧发生燃烧或爆炸而 释放能量的。这一点与炸药不同。 军事上利用这些可燃气体本身不携带氧，靠周围 环境中的氧释放能量这一优点，研究开发具有大 面积杀伤破坏效应的燃料空气炸弹。
n0=5
Lmin 0.55L0 2.21% （实测值为2.1%）
Lmax 4.8 L0 9.6% （实测值为9.5%）
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4.2.2爆炸浓度极限的计算 在氧气中：
100 L0 % 16.67% 1 n0
Lmin 0.55L0 9.17%
Lmax 4.8 L0 19.6%
将（4）、（5）式代入（1）式可得：
D 2 k 2 1 Qe


由
D v0
pj v0 v j
和u
j
v
0
vj

pj v0 v j
可得：
uj
v
0
vj v0
D
……(7)
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4.3 气体爆轰参数的计算 把（4）式代入（7）式可得：
uj 1 D k 1
……(8)
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LB min 3.0% LC min 2.1% LD min 1.5%
4.2.2爆炸浓度极限的计算 由上式可得：
Lmin
爆炸浓度下限：
Lmax
100 % 4 .2% 0.80 0.15 0.04 0.01 0.05 0.03 0.021 0.015
爆炸浓度上限：
a 1,2
a3
据此，爆炸浓度上限的计算公式为：
20.9 % 0.209 n0
20.9 % 9.46% 0.209 n0
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丙烷的Lmax
4.2.2爆炸浓度极限的计算 （4）多组分可燃气体混合物的爆炸浓度极限 如果多组分可燃气体反应特性接近或为同系物时， 它们与空气构成的爆炸性混合物的爆炸浓度极限 可根据理· 查特里（Le· Chatelier）法则计算，即
由CJ条件
uj cj D
可得
……(9)
k cj D k 1
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4.3 气体爆轰参数的计算
R T M
将（4）和（5）式代入状态方程 pv
1 kD 2 Tj R j n j R k 12 Mj pj
可得：
(10)
因此，（4）～（10）式即为爆轰参数的近似公式。
（实测值为
2.1%）
Lmax
400 % 9.52n0 4
400 % 7.75% 9.52 5 4
（实测值为9.5%）
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4.2.2爆炸浓度极限的计算 （2）按化学计量浓度估算
可燃混合物中的可燃物与氧或空气中的氧燃
烧时到达完全氧化反应的浓度称为化学计量浓度。
设可燃气体的分子式为：
L0 则为：
100 % 1 n0

Lmax 4.8 L0 该式可用来估算烷烃以及其它有机可燃气体的爆炸 浓度极限，但不适用于乙炔以及氢、硫、氯等无机 气体。
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Lmin 0.55L0
4.2.2爆炸浓度极限的计算
【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O
解：
20.9 % 4.01% 在空气中： L0 0.209 n0
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4.2.1 气体爆炸浓度极限

表4-2为甲烷和空气混合物在不同能量的点火 条件下爆炸浓度极限的实验结果。当点火能达 到一定程度时，对爆炸浓度极限的影响就不明 显了。
表4-2 点火能对甲烷空气混合气体爆炸浓度极限的影响
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4.2.1 气体爆炸浓度极限 （2）初始温度
初始温度升高，会使化学反应的速度加快。
CaHbOc+n0O2——aCO2+b/2H2O
则
n0=a+b/4-c/2
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4.2.2爆炸浓度极限的计算

如果把空气中氧气的浓度取为20.9%，则可燃气体 在完全燃烧的情况下，空气中的化学计量浓度的计 算式如下： L 20.9 %
0
0.209 n0

在氧气中，L0 于是，爆炸浓度极限可估算如下：
体积中所含混合气分子较多，分子间传热和
发生化学反应比较容易，反应速度加快，而 散热损失显著减少，因此爆炸浓度范围扩大。 压力对爆炸浓度上限的影响较大。表4-3压力 对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限 表4-3 压力对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限
擦、热源或火花等点火源的作用能发生燃烧
爆炸的气态物质，统称为可燃性气体。

可燃性气体可分为无机气体和有机气体。
4
4.1气体爆轰现象 通常，可燃性气体按使用形态可分为5类：

可燃气体：氢气、煤气、四个碳以下的有机气 体（如甲烷、乙烯、丙烷等）均属此类。它们 在常温常压下以气态存在，和空气形成的混合 物容易发生燃烧或爆炸。
合气体便不能发生燃烧、爆炸。如表4-4所示
21
4.2.1 气体爆炸浓度极限 表4-4 CO2对汽油蒸气爆炸浓度极限的影 响
22
4.2.2 爆炸浓度极限的计算
23
4.2.2爆炸浓度极限的计算
（1）按完全燃烧1摩尔可燃性气体所需的氧摩尔数 no估算 100
Lmin 4.762n0 1 1 %
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4.2.2爆炸浓度极限的计算 【例】某天然气含甲烷80％，乙烷15％，丙烷4％，
丁烷1％，求天然气的爆炸浓度极限。
设A、B、C、D分别表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷
L A min 5.0%
已知
L A max 15.0% LB max 12.5% LC max 9.5% LD max 8.5%
Lmix 100 Vn V1 V2 V3 L1 L2 i种组分在可燃物中的浓度。 L3 Ln 分别为第
式中
L1 , L2 , L3 Ln 限或上限）。
V1 ,V2 ,V3 V n 分别为第 i种组分的爆炸浓度极限（下
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4.2.2爆炸浓度极限的计算
上式需满足以下条件：
1、 V1 V2 V3 Vn 100 2、各组分间不发生化学反应且爆炸时不发生催化作 用； 3、各组分的爆炸浓度极限已知。
v0 j k 1 p 0 移项整理可得： v k kp j 0 j
v0 j k 1 v j 0 k
忽略
p0
得:
……(4)
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4.3 气体爆轰参数的计算
将（4）式代入波速方程
1 pj 0 D 2 k 1
D v0 pj v0 v j
可得
……(5) ……(6)
7
4.2 爆炸浓度极限及其确定方法
8
4.2.1 气体爆炸浓度极限
9
4.2 爆炸浓度极限及其确定方法

通常情况下，气体混合物中可燃成分的浓度处于 一定范围内时，才会发生爆炸现象，这个浓度范 围称为爆炸浓度范围。能够发生爆炸的最低浓度 叫爆炸浓度下限，而能够发生爆炸的最高浓度叫 做爆炸浓度上限。如表4-1所示。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限

爆炸浓度极限不是一个固定的物理常数，它与点
火能、初始温度、压力等因素有关。
（1）点火能
一般来说，点火能量越大，传给周围可燃混
合物的能量越多，引起临层爆炸的能力越强，火 焰越易自行传播，从而爆炸浓度范围变宽。即 [a,b]中的a变小，b变大。但当点火能达到一定程 度时，爆炸浓度范围变化就不明显了。
在相同的点火能下，可燃气体混合物的初始温度
越高，燃烧反应越快，于是单位时间放热越多，
火焰越易传播，因而爆炸极限范围变宽，如图4-2 所示。
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4.2.1 气体爆炸浓度极限
图4-2 温度对爆炸极限的影响（甲烷）
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4.2.1 气体爆炸浓度极限 （3）压力
混合气体压力提高，爆炸浓度范围扩大。
处于高压下的气体，其分子比较密集，单位
可燃液化气：如液化石油气、液氨、液化丙烷 等。这类气体在加压降温的条件下即可变为液 体，压缩储存在贮灌中。液化石油气的主要成 分是丙烷、丙稀、丁烷和丁烯等。常温常压下 为气体，0.8～1.5MPa压力即可液化为液体。
5

4.1气体爆轰现象


可燃液体的蒸气：如甲醇、乙醚、酒精、笨、 汽油等的蒸气，这些蒸气在燃烧液体表面上有 较高的浓度，当它和空气混合物的浓度达到一 定程度时，容易发生燃烧或爆炸。 助燃气体：如氧、氯、氟、氧化亚氮、氧化氮、 二氧化氮等。它们在化学反应中能作为氧化剂， 把它们和能作为还原剂的可燃性气体混合，会 形成爆炸性混合物。
1 p j v0 v j Qe k 1 2
p jv j
……(1)
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4.3 气体爆轰参数的计算
由等熵方程
pvk A
可得：
……(2)
pj dp k vj dv s ,M
由CJ条件知： p j p0 k p j
v0 v j vj
……(3)