爆炸极限的计算

爆炸与防爆

前言(1)

爆炸就是物质得一种非常急剧得物理、化学变化，在变化过程中，伴有物质所含能量得快速转变,即变为该物质本身、变化产物或周围介质得压缩能与运动能.其重要特征就是大量能量在有限得时间里突然释放或急剧转化，这种能量能在有限得时间与有限得体积内大量积聚造成高温高压等非寻常状态,对邻近介质形成急剧得压力突跃与随后得复杂运动,显示出不寻常得移动或破坏效应。在石油、化工等行业生产过程中,从原料到成品，使用、产生得易燃易爆物质很多，一旦发生爆炸事故,常会带来非常严重得后果，造成巨大得经济损失与人员伤害,譬如泵房垮塌、油罐爆炸着火、装置报废、人员伤亡。正因如此,控制爆炸就是石油、化工等行业得重中之重。要科学有效地控制气体、粉尘爆炸，就不能不对爆炸极限有一个正确得理解。

爆炸极限得定义（2）

可燃性气体或蒸气与助燃性气体得均匀混合系在标准测试条件下引起爆炸得浓度极限值，称为爆炸极限。助燃性气体可以就是空气、氧气或辅助性气体。一般情况提及得爆炸极限就是指可燃气体或蒸气在空气中得浓度极限,能够引起爆炸得可燃气体得最低含量称为爆炸下限Low Ｅxpｌos ｉon — Lｅvｅl(ＬEL),最高浓度Ｕｐper Exｐlosiｏn －Ｌevel称为爆炸上限(UEL)。

影响爆炸极限得因素(3)

1 可燃气体

1、1 混合系得组分不同，爆炸极限也不同.

1、2 同一混合系，由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量得大小等都能使爆炸极限发生变化.

a、温度影响

因为化学反应与温度有很大得关系，所以，爆炸极限数据必定与混合物规定得初始温度有关。初始温度越高,引起得反应越容易传播。一般规律就是，混合系原始温度升高,则爆炸极限范围增大即下限降低，上限增高。但就是，目前,还没有大量得系统实验结果。因为系统温度升高，分子内能增加，使原来不燃得混合物成为可燃、可爆系统。初始温度对混合物爆炸极限得影响示例见表1。

ｂ、压力影响

系统压力增高,爆炸极限范围也扩大,明显体现在爆炸上限得提高。这就是由于压力升高，使分子间得距离更为接近，碰撞几率增高，使燃烧反应更容易进行，爆炸极限范围扩大,特别就是爆炸上限明显提高.压力减小,则爆炸极限范围缩小,当压力降至一定值时，其上限与下限重合，此时得压力称为为混合系得临界压力，低于临界压力，系统不爆炸。以甲烷为例说明压力对爆炸极限得影响（见表2)。

ｃ、惰性气体含量影响

混合系中惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小,惰性气体浓度提高到某一数值时,混合系就不能爆炸。

惰性气体种类不同，对爆炸极限得影响也不同。以汽油为例，其爆炸极限范围按氮气、燃烧废气、二氧化碳、氟利昂２1、氟利昂12、氟利昂11顺序依次缩小.

d、容器、管径影响

容器、管子直径越小,则爆炸范围越小,当管径小到一定程度时,单位体积火焰所对应得固体冷却表面散发出得热量就会大于产生得热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播得最大管径称为临界直径。

容器材料也有很大影响，如氢与氟在玻璃器皿中混合,即使在液态空气温度下，置于黑暗处仍可发生爆炸，而在银器中，在一般温度下才能发生爆炸反应。

e、点火强度影响

点火能得强度高，燃烧自发传播得浓度范围也就越宽.尤其就是爆炸上限向可燃气含量较高得方向移动。如甲烷在10０V电压、1Ａ电流火花作用下,无论何种混合比例情况均不爆炸;若电流增加到2A，其爆炸极限为5、9％—13、６％；电流上繁荣昌盛到3A时,其爆炸极限为5、8５%—1４、8％。

f、干湿度影响

通常可燃气与空气混合物得相对湿度对于爆炸宽度影响虽小,但在极度干燥时,爆炸范围宽度为最大.

g、热表面、接触时间得影响

热表面得面积大,点火源与混合物得接触时间长等都会使爆炸极限扩大.

h、除此之外，混合系统接触得封闭外壳得材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围.

i、可燃气体得爆炸上限与氧与氮在空气中得比例几乎无关。因为氧与氮得比热相近,燃烧热传递到这两种气体都会导致相同得燃烧温度,所以，混俣气体一旦被点燃，过剩得氧就是否被氮所取代，无关紧要。

j、在生产实践中，爆炸上限与空气中得氧含量有很大得关系。这就是由于可燃气或可燃蒸气过剩，也就就是氧气不足所致

2 可燃蒸气

a、可燃蒸气得爆炸极限就是由可燃液体产生得蒸气浓度决定得。对于可燃液体而言，爆炸下限对应得闪点温度又可以称为爆炸下限温度，爆炸上限浓度对应得液体温度又可以称为爆炸上限温度。

b、可燃蒸气得爆炸上限与氧与氮在空气中得比例几乎无关。原因与上述2.1．２i一样。

ｃ、爆炸上限与空气中得氧含量有很大得关系。原因也就是由于氧气不足致使可燃气或可燃蒸气过剩。

３可燃粉尘

3、１可燃粉尘爆炸机理

粉尘爆炸就是因其粒子表面氧化而发生得。其爆炸过程如下：

粒子表面接受热能时,表面温度上升；粒子表面得分子产生热分解或干馏作用成为气体排放在粒子周围;该气体同空气混合成为爆炸性混合气体，发火产生火焰；这种火焰产生得热,进一步促进粉末得分解不断成为气相，放出可燃气体与空气混合而发火、传播.

3、2 粉尘爆炸极限受以下因素影响

(1）粒度粉尘爆炸下限受粒度得影响很大,粒度越高（粒径越小)爆炸下限越低.

（2）水分含尘空气有水分存在时，爆炸下限提高，甚至失去爆炸性。欲使产品成为不爆炸得混合物,至少使其含50％得水。

(3）氧得浓度粉尘与气体得混合物中,氧气浓度增加将导致爆炸下限降低。

（４)点燃源粉尘爆炸下限受点燃源温度、表面状态得影响。温度高、表面积大得点燃源,可使粉尘爆炸下限降低.

4 对爆炸极限得正确认识

以上叙述表明，决不可把爆炸特性值瞧作就是物理常数。而在实际工作中,却有很多人把其当作一个常数,这对处理实际工作中遇到得特殊情况有很大得危害。这些值与测定时所采用得方法有很大得关系。正因如此，同一种气体,其爆炸极限数值在国内、国外权威部门发布得数据也就是有所不同.仅以甲烷为例（见表4).

但就是，这些数值由于本身差别并不大,而在进行气体监测报警时,更就是取其爆炸下限得10％进行报警,因此，差别就更加微小,一般情况下不影响正常使用，但就是,作为一个管理者而言，应该知道这个数值得来源,并根据自己得实际情况予以科学掌握使用，特别就是在特殊情况下,比如热表面得面积大、点火源与混合物得接触时间长得情况下，就应该充分考虑到爆炸极限得扩大。如果一成不变，死搬教条,就易引发事故，影响生产得正常运行.

爆炸极限得计算(4)

1 根据化学理论体积分数近似计算

爆炸气体完全燃烧时,其化学理论体积分数可用来确定链烷烃类得爆炸下限,公式如下： L下≈0.５５c0

式中0、5５——常数；

c0--爆炸气体完全燃烧时化学理论体积分数。若空气中氧体积分数按20、9％计，ｃ0可用下式确定

ｃ0=20、９/(0、２0９＋n0)

式中 n0——可燃气体完全燃烧时所需氧分子数。

如甲烷燃烧时,其反应式为

CH4＋2O2→CO2＋2H2Ｏ

此时n０=2

则L下＝０、55×20、９/(０、209+2)=5、2由此得甲烷爆炸下限计算值比实验值5%相差不超过10％。

2 对于两种或多种可燃气体或可燃蒸气混合物爆炸极限得计算

目前，比较认可得计算方法有两种:

2、１莱·夏特尔定律

对于两种或多种可燃蒸气混合物,如果已知每种可燃气得爆炸极限，那么根据莱·夏特尔定律,可以算出与空气相混合得气体得爆炸极限.用Pn表示一种可燃气在混合物中得体积分数，则: LＥL＝（P1+P2＋P3）/（P1/LEL1+P2/LEＬ２+P3/LEL３） (V%）

混合可燃气爆炸上限:

ＵEL=(P1+P2+P3）/(P1/UEL1+Ｐ2/ＵEL２+P３/ＵEＬ3） (V％)

此定律一直被证明就是有效得。

２、2 理·查特里公式

理·查特里认为,复杂组成得可燃气体或蒸气混合得爆炸极限，可根据各组分已知得爆炸极限按下式求之。该式适用于各组分间不反应、燃烧时无催化作用得可燃气体混合物。

Lｍ=100/(Ｖ1/L1+Ｖ2／Ｌ２＋……+Vn／Ｌn)

式中Lｍ——混合气体爆炸极限,％；

Ｌ１、L２、L3——混合气体中各组分得爆炸极限，%;

V1、V2、V3——各组分在混合气体中得体积分数,%。

例如:一天然气组成如下：甲烷8０%(Ｌ下＝5、0％)、乙烷15％（L下=3、2２%）、丙烷4％（L下=2、37％）、丁烷1％（L下=１、8６％）求爆炸下限。