爆炸极限的计算

爆炸与防爆前言（1）爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，在变化过程中，伴有物质所含能量的快速转变，即变为该物质本身、变化产物或周围介质的压缩能和运动能。其重要特征是大量能量在有限的时间里突然释放或急剧转化，这种能量能在有限的时间和有限的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的压力突跃和随后的复杂运动，显示出不寻常的移动或破坏效应。在石油、化工等行业生产过程中，从原料到成品，使用、产生的易燃易爆物质很多，一旦发生爆炸事故，常会带来非常严重的后果，造成巨大的经济损失和人员伤害，譬如泵房垮塌、油罐爆炸着火、装置报废、人员伤亡。正因如此，控制爆炸是石油、化工等行业的重中之重。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的理解。爆炸极限的定义（2）可燃性气体或蒸气与助燃性气体的均匀混合系在标准测试条件下引起爆炸的浓度极限值，称为爆炸极限。助燃性气体可以是空气、氧气或辅助性气体。一般情况提及的爆炸极限是指可燃气体或蒸气在空气中的浓度极限，能够引起爆炸的可燃气体的最低含量称为爆炸下限LowExplosion-Level（LEL），最高浓度UpperExplosion-Level称为爆炸上限（UEL）。影响爆炸极限的因素（3）1可燃气体1.1混合系的组分不同，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的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的关系，所以，爆炸极限数据必定与混合物规定的初始温度有关。初始温度越高，引起的反应越容易传播。一般规律是，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。但是，目前，还没有大量的系统实验结果。因为系统温度升高，分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统。初始温度对混合物爆炸极限的影响示例见表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的提高。这是由于压力升高，使分子间的距离更为接近，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，此时的压力称为为混合系的临界压力，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的影响（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，对爆炸极限的影响也不同。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的固体冷却表面散发出的热量就会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最大管径称为临界直径。容器材料也有很大影响，如氢和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的强度高，燃烧自发传播的浓度范围也就越宽。尤其是爆炸上限向可燃气含量较高的方向移动。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的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、接触时间的影响热表面的面积大，点火源与混合物的接触时间长等都会使爆炸极限扩大。h.除此之外，混合系统接触的封闭外壳的材质、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.可燃气体的爆炸上限和氧与氮在空气中的比例几乎无关。因为氧和氮的比热相近，燃烧热传递到这两种气体都会导致相同的燃烧温度，所以，混俣气体一旦被点燃，过剩的氧是否被氮所取代，无关紧要。j.在生产实践中，爆炸上限与空气中的氧含量有很大的关系。这是由于可燃气或可燃蒸气过剩，也就是氧气不足所致2可燃蒸气a.可燃蒸气的爆炸极限是由可燃液体产生的蒸气浓度决定的。对于可燃液体而言，爆炸下限对应的闪点温度又可以称为爆炸下限温度，爆炸上限浓度对应的液体温度又可以称为爆炸上限温度。b.可燃蒸气的爆炸上限和氧与氮在空气中的比例几乎无关。原因与上述2.1.2i一样。c.爆炸上限与空气中的氧含量有很大的关系。原因也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是因其粒子表面氧化而发生的。其爆炸过程如下：粒子表面接受热能时，表面温度上升；粒子表面的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；这种火焰产生的热，进一步促进粉末的分解不断成为气相，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的影响很大，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的混合物，至少使其含50%的水。（3）氧的浓度粉尘与气体的混合物中，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、表面状态的影响。温度高、表面积大的点燃源，可使粉尘爆炸下限降低。4对爆炸极限的正确认识以上叙述表明，决不可把爆炸特性值看作是物理常数。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的特殊情况有很大的危害。这些值与测定时所采用的方法有很大的关系。正因如此，同一种气体，其爆炸极限数值在国内、国外权威部门发布的数据也是有所不同。仅以甲烷为例（见表4）。但是，这些数值由于本身差别并不大，而在进行气体监测报警时，更是取其爆炸下限的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，但是，作为一个管理者而言，应该知道这个数值的来源，并根据自己的实际情况予以科学掌握使用，特别是在特殊情况下，比如热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间长的情况下，就应该充分考虑到爆炸极限的扩大。如果一成不变，死搬教条，就易引发事故，影响生产的正常运行。爆炸极限的计算（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的爆炸下限，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的计算目前，比较认可的计算方法有两种：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的爆炸极限，那么根据莱·夏特尔定律，可以算出与空气相混合的气体的爆炸极限。用Pn表示一种可燃气在混合物中的体积分数，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%）此定律一直被证明是有效的。2.2理·查特里公式理·查特里认为，复杂组成的可燃气体或蒸气混合的爆炸极限，可根据各组分已知的爆炸极限按下式求之。该式适用于各组分间不反应、燃烧时无催化作用的可燃气体混合物。Lm=100/（V1/L1+V2/L2+……+Vn/Ln）式中Lm——混合气体爆炸极限，%；L1、L2、L3——混合气体中各组分的爆炸极限，%；V1、V2、V3——各组分在混合气体中的体积分数，%。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。Lm=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.3693可燃粉尘许多工业可燃粉尘的爆炸下限在20-60g/m3之间，爆炸上限在2-6kg/m3之间。碳氢化合物一类粉尘如能完全气化燃尽，则爆炸下限可由布尔格斯-维勒关系式计算：c×Q=k式中c——爆炸下限浓度；Q——该物质每靡尔的燃烧热或每克的燃烧热；k——常数。超过爆炸极限的危险性（5）超过爆炸极限可能产生的危险，许多资料都是这样描述的：超过爆炸下限则可燃气或蒸气就既不爆炸也不着火；超过爆炸上限也是如此。从发生机理上讲，爆炸是在经历气体受热、发生燃烧并在特殊情形下发生爆炸。由此来看，上述将爆炸极限与燃烧极限混为一谈是不严密的，因为，这里面涉及一个燃烧极限问题。超过爆炸极限不再发生爆炸显然是正确的，但是，在具别情况下，不发生爆炸但仍可能发生燃烧。只是这个爆炸极限与燃烧极限的差值一般很小，在很多情况下可以视为等值，但不应视为等值，从而一概把超过爆炸极限的危险状况认定为既不爆炸也不燃烧的“安全状况”。利用这一原理，可以在燃烧情况下进行带压不置换动火，从而省时省力。爆炸控制（6）由于爆炸造成的后果大多非常严重，在化工生产作业中，爆炸压力的作用和火灾的蔓延，不仅会使生产设备遭受损失，而且使建筑破坏，甚至致人死亡。因此，科学防爆是非常重要的一项工作。防止爆炸的一般原则是：一是控制混合气体的组分处在爆炸极限以外；二是使用惰性气体取代空气；三是使氧气浓度处于其极限值以下。为此应防止可燃气向空气中泄漏，或防止空气进入可燃气体中；控制、监视混合气体组分浓度；装设气体组分接近危险范围的报警装置。防止爆炸的具体措施主要有以下几点：1惰性介质保护由于爆炸的形成需要有可燃物质和氧气，以及一定的点火能量。利用惰性气体取代空气中的氧气，就消除了引发爆炸的一大因素，从而使爆炸过程无法完成。在化工生产中，采取的惰化气体主要用氮气、二氧化碳、水蒸气、烟道气等。1.1易燃固体物质的粉碎、筛选处理及其粉末输送时，采用惰性气体进行覆盖保护。1.2处理可燃易爆的物料系统，在进料前，用惰性气体进行置换，以排除系统中原有的气体，防止形成爆炸性混合物。1.3将惰性气体通过管线与有火灾爆炸危险的设备、贮槽等连接起来，在万一发生危险时使用。1.4易燃液体利用惰性气体充压输送。1.5在有爆炸性危险的生产场所，对有引起火灾危险的电器、仪表等采用充氮正压保护。1.6易燃易爆系统检修动火前，使用惰性气体进行吹扫置换。1.7发现易燃易爆气体泄漏时，采用惰性气体（水蒸气）冲淡。发生火灾时，用惰性气体进行灭火。2系统密闭和负压操作2.1为防止易燃气体、蒸气或可燃性粉尘与空气形成爆炸性混合物，应设法使设备密闭。为了保证设备的密闭性，对危险设备及系统应尽量少用法兰连接，但要保证安全检修的方便。2.2为防止有毒或爆炸性危险气体向器外逸散，可以采用负压操作系统。对于在负压操作下生产的设备，应防止空气吸入。3通风置换通过通风可以有效防止易燃易爆气体积取并达到爆炸极限。排除有燃烧爆炸危险粉尘的排风系统，应采用不产生火花的除尘器。含有爆炸性粉尘的空气，在进入风机前，应进行净化。4阻止容器或室内爆炸的安全措施4.1抗爆容器对已知的爆炸结果作系统的评定表明，在符合一定结构要求的前提下，即使容器和设备没有附加防护措施，也能承受一定的爆炸压力。如果选择这种结构形式的设备在剧烈爆炸情况下没有被炸碎，而只产生部分变形，那么设备的操作人员就可以安然无恙，这也就达到了最重要的防护目的。由于这一方法的成本很高，而且，与相关设备的安全可靠性判别太大，因此，在生产实践中很少用到，非特别危险或发生事故造成严重后果的装置不采用。4.2爆炸卸压通过固定的开口及时进行卸压，则容器内部就不会产生不可容纳的高爆炸压力，因而也就不必使用能抗这种高压的结构，把没有燃烧的混合物和燃烧的气体排放到大气里去，就可把爆炸压力限制在容器材料强度所能承受的某一数值。卸压装置可分为一次性（如