15气体与粉尘爆炸极限计算解析

防火防爆河南工业职业技术学院气体和粉尘爆炸的特点气体和粉尘爆炸与炸药爆炸的最基本区别是由爆炸源特征性确定的爆炸源特征性主要包括：1爆炸源的总能量2爆炸源的尺寸及几何形状3爆炸源的能量释放率4爆炸源的能量密度一、爆炸源特征分析最简单的爆炸源是看做“点源”1.爆炸源特征长度（R0）能量越大，R0越大2.爆炸特征时间（tR）不在视爆炸源为“点源”例：1）典型的TNT炸药，密度为1.6，爆速为6900，当炸药量为430g时，爆炸初始半径Re为40㎜，则爆炸特征时间为：2）同样是430gTNT炸药，分散在1m3体积内爆炸，爆速为1800，爆炸初始半径Re为620㎜，则：3）若是粉尘云爆轰，则：同样能量爆炸源，以不同形式爆炸，有不同的爆炸特征参数，对周围介质的爆炸破坏效应也不同。可以看出特征尺寸大小，影响爆炸特征时间，同样重量下，尺寸越大，爆炸特征时间越长，爆炸特征速度越低。3.爆炸源尺寸与爆炸特征尺寸的关系在爆炸过程中的能量释放极快，爆炸源体积来不及发生明显的膨胀，所以能量释放实际上是在定容条件下发生的。1）对凝聚相炸药可视为定容，形成的爆炸波成球形对典型的TNT：可视为点源爆炸2）对气体或粉尘爆炸如：典型的烃类燃料和空气混合爆炸Re/R0=0.15此时不能视为点源爆炸了，而相对凝聚炸药，能量密度也较低（爆炸源尺寸与爆炸源特征长度为同一量级）不同爆炸源的比例爆炸特征参数①凝聚相炸药的爆轰Re/R0=0.01②气体或粉尘爆轰Re/R0=0.1③气体或粉尘爆燃Re/R0=14.爆炸源能量1）质量比能量气体或粉尘爆炸能量→空气中氧与燃料燃烧释放凝聚相炸药→是炸药中基团中氧与可燃元素反应常见烃类燃料燃烧热为50MJ/㎏常见炸药爆热为5MJ/㎏预混燃料与空气混合，要比凝聚炸药低一倍左右能量预混燃料与氧气混合，要比凝聚炸药高一倍左右能量见表5-42）体积比能量燃料混合物单位体积能量比凝聚相炸药要小2-3个数量级见表5-55.爆炸能量释放率凝聚相炸药，能全部反应释放能量气体或粉尘爆炸能量释放取决于环境条件和约束条件例：密闭容器能全部释放能量敞开气云只有少量能量得到释放（百分之几)强制点火能量释放率能达百分之五十粉尘受颗粒大小及分布影响影响因素很多凝聚相炸药与气体或粉尘爆炸源特征比较：1爆炸源的总能量质量比能量不同体积比能量不同2爆炸源的尺寸及几何形状凝聚相炸药可视为点源，而气体或粉尘则不能3爆炸源的能量释放率凝聚相炸药（基本上）全部释放气体或粉尘受环境条件及约束条件影响4爆炸源的能量密度凝聚相能量密度高气体或粉尘能量密度低二、气体爆炸工业气体爆炸事故大多数是爆燃形式出现爆燃与爆轰区别？燃速不同爆燃亚声速流动爆轰超声速流动1.爆炸极限（三个基本条件）1）有合适浓度的燃料气体2)有合适的浓度氧气3)有足够能量的点火源2最佳浓度Cm定义：燃料和空气或氧气混合物的燃烧速度和放热量随燃料浓度而变化，当混合比达到某一值时，其基本燃烧速度达到极值，此时的燃烧速度称为最佳浓度Cm。最佳浓度不等于化学计量浓度，但要高于化学计量浓度。气体粉尘1.1-1.5固体3-53.化学计量浓度可燃剂恰好被氧化剂氧化生成水和二氧化碳是的浓度4.极限浓度爆炸极限定义：可燃气体、蒸气或粉尘与空气组成的混合物遇火源能发生爆炸的浓度。爆炸下限定义：爆炸上限定义：……的最低浓度……的最高浓度5计量比浓度Ф1,混合物有空气剩余，正氧平衡或缺油型混合Ф1混合物燃料过多，负氧平衡或富油型混合Ф=1与化学计量浓度接近，火焰最高温度和最大燃烧速度三、气体爆炸基本参数1.火焰速度火焰相对于前方已扰动气体的运动速度。2.燃烧速度常温常压下层流燃烧速度成为..3.火焰温度（绝热）在一定的初始温度和压力卜，给定的燃料(包含燃料和氧化剂)，在等压绝热条件下进行化学反应，燃烧系统(属于封闭系统)所达到的终态温度。热火焰温度的影响因素很多，主要有空气/燃料比、初始温度和初始压力。4.定容爆炸压力爆炸过程三个阶段1）爆炸压力上升阶段2）爆炸压力高值区3）爆炸压力衰减区5.爆炸压力上升速率在爆炸过程中测得爆炸随时间变化曲线的最大斜率是衡量燃烧速度的标准是衡量爆炸强度的标准6.点火能量及点火温度可燃气爆炸时压力的计算（一）依据：理想气体状态方程（二）计算公式112212TnTnPP参数反应前反应后压力P1P2摩尔数n1n2温度T1T2体积V1V2例题1：乙醚爆炸时的最高压力（1）燃烧反应方程式C4H10O+6O2+22.6N2=4CO2+5H2O+22.6N2（2）计算n1=29.6，n2=31.6，t1=0oC，t2=2645.6oC112212TnTnPP)(1011.5627329.62645.6)(27331.6101.0132555Pa可燃气爆炸时升压速度的计算（一）平均升压速度定义：爆炸最大压力与初始压力之差除以所需时间。)(/sPtPPva12可燃气爆炸时升压速度的计算（二）瞬时压力1133l1dPVtSPKPK1TnTnTnTnπ34K112221122d)()(参数含义参数单位瞬时压力P1Pa火焰传播速度Slcm/s系数Kd系数KCp/Cv=1.4时间ts预混气体积V1m3例题2：某容器中装有甲烷和空气预混气，体积为9升，甲烷的体积浓度为9.5%，爆炸前初温T1=298K，初始压力P1=1atm，爆炸时温度T2=2300K，最大爆炸压力P2=8.0756×105Pa，甲烷火焰传播速度为Sl=34.7cm/s，取热容比K=1.4，求甲烷爆炸时平均升压速度。解：（1）甲烷燃烧反应式为CH4+2O2+7.5N2→CO2+2H2O+7.5N2（2）（3）（4）)(/sPtPPva121133l1dPVtSPKPK1TnTnTnTnπ34K112221122d)()(例题2：某容器中装有甲烷和空气预混气，体积为9升，甲烷的体积浓度为9.5%，爆炸前初温T1=298K，初始压力P1=1atm，爆炸时温度T2=2300K，最大爆炸压力P2=8.0756×105Pa，甲烷火焰传播速度为Sl=34.7cm/s，取热容比K=1.4，求甲烷爆炸时平均升压速度。解：)(1082.125/sPva)0.086(st可燃气爆炸时爆炸总能量E=Qv·V参数含义参数单位可燃气总能量EkJ可燃气体积热值QvkJ/m3体积Vm3可燃气爆炸时爆炸参数测定（一）实验设备20l球（二）测试参数1、爆炸压力（Pm）2、爆炸最大压力（Pmax）3、升压速度4、最大升压速度5、爆炸指数Km6、最大爆炸指数Kmax7、扰动指数tv（点燃延迟）8、扰动指数Tu第二节可燃气体爆炸极限1定义：可燃物和助燃物的浓度比例恰好能发生完全的化合反应时的浓度。可燃气体或蒸气分子一般用CαHβOγ表示，设1mol气体所必须氧的物质量是n则燃烧反应式可写成：CαHβOγ+nO2→生成气体按空气占体积分数20.9%则：如在氧气中完全反应则:CαHβOγ+nO2→αCO2+0.5βH2O2n=3α+1-γ%n11000一、完全反应浓度的计算%n0.20920.90.209n11（一）通过1mol可燃气在燃烧反应中所需氧原子N计算（二）通过可燃气在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算（三）通过燃烧热计算爆炸下限（四）多种可燃气组成的混合物爆炸极限的计算（五）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算第二节可燃气体爆炸极限二、爆炸极限的计算单一可燃气多组分可燃气（一）通过1mol可燃气在燃烧反应中所需氧原子N计算第二节可燃气体爆炸极限二、爆炸极限的计算%11)4.76(100Nx下%44.76N400上x计算步骤：1、写出化学反应方程式；2、找出1mol可燃气对应的N值（氧原子数）；3、代入公式计算。（二）通过可燃气在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算第二节可燃气体爆炸极限二、爆炸极限的计算计算步骤：1、写出化学反应方程式；2、计算x0，n是化学计量比中的氧分子数；3、代入公式计算（x0代百分号前面的数值）。0上4.8xx0下0.55xx%4.761100%nx计算步骤：1、已知一种可燃气的爆炸极限；2、根据等式求另一种。（三）通过燃烧热计算爆炸下限二、爆炸极限的计算x2211CQxQx参数参数含义单位x1，x2第1、2种可燃气的爆炸下限%Q1，Q2第1、2种可燃气的摩尔燃烧热kJ/molCx烷烃类Cx=43kJ醇类、醚类、烯烃类=Cx41.5kJ（四）多种可燃气组成的混合物爆炸极限的计算莱-夏特尔公式%LLLLxii332211100or下)(上参数参数含义单位X混合可燃气的爆炸下限或上限%P1，P2混合气中某一种可燃气占总可燃气的体积百分数%N1，N2各组分的爆炸极限%1V2V3V'V1'V2'V3'VVx11下1'VVx22下2'VVx33下3'''VVVVVVx321321下下下1下32xVxVxVVVV321321下下1下321xVVVVxVVVVxVVVV3213321232111P2P3P推导（五）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算莱-夏特尔公式仍然用1V2V3V'V1'V2'V3惰气惰气惰气爆炸极限不再是单一气体的爆炸极限，而是惰气与可燃气组合后对应的爆炸极限，查表5-111V'V1比较1V'V1惰气V1=可燃气的体积V1’=可燃气的体积+空气体积N1=可燃气的爆炸极限V1=（可燃气的体积+惰气体积）V1’=（可燃气的体积+惰气体积）+空气体积N1=（可燃气和惰气）的爆炸极限%NPNPNPNPxii332211100or下)(上例题4煤气组成为：H2-12.4%，CO-27.3%，CO2-6.2%，O2-0%，CH4-0.7%，N2-53.4%；求煤气的爆炸极限。解：（1）分组（2）计算惰气与可燃气组成比（3）查图5-11得到爆炸极限CO2+H2N2+COCH40.512.4%6.2%22HCO1.9627.3%53.4%CON2012345678910111213141516175678910111213141516171819208072645648403224168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惰性气体/可燃气体混合气中氧气含量（%）爆炸极限（%）H2+CO2H2+N2例题4煤气组成为：H2-12.4%，CO-27.3%，CO2-6.2%，O2-0%，CH4-0.7%，N2-53.4%；求煤气的爆炸极限。解：（3）查图5-11得到爆炸极限H2+CO2组的爆炸极限范围：6%~70%CO+N2组的爆炸极限范围：40%~73%（4）带入莱-夏特尔公式计算19%%5.00.74080.76.018.6100下x70.93%%150.77.380.77018.6100上x（一）通过1mol可燃气在燃烧反应中所需氧原子N计算（二）通过可燃气在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算（三）通过燃烧热计算爆炸下限（四）多种可燃气组成的混合物爆炸极限的计算（五）含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算第二节可燃气体爆炸极限二、爆炸极限的计算单一可燃气多组分可燃气（一）火源能量的影响（二）初始压力的影响（三）初温的影响（四）惰性气体的影响第二节可燃气体爆炸极限四、爆炸极限的影响因素43210.80.60.40.224681012141618CH4%火源能量对CH4爆炸极限的影响火源能量（mJ）（一）火源能量的影响四、爆炸极限的影响因素火源能量越大爆炸极限越宽危险性越大（二）初始压力的影响四、爆炸极限的影响因素初始压力越大爆炸极限越宽危险性越大（三）初温的影响四、爆炸极限的影响因素024681012141618CH4%400300200100温度（oC）温度（oC）温度对CH4爆炸极限的影响510707580H2%4003002001000温度对H2爆炸极限的影响初始温度越高爆炸极限越宽危险性越大（四）惰性气体的影响四、爆炸极限的影响