可燃性混合气体爆炸特性计算

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1、中北大学2009级课程设计说明书可燃性混合气体爆炸特性计算1绪论可燃性混合气体的爆炸是生产生活，特别是化工生产中极为普遍的爆炸现象。气体混合物有两种：一种是单一的可燃性气体与空气混合；另一种是多种可燃性气体与空气混合。这两种气体混合物并非在任何情况下都能发生爆炸，只有在一定的爆炸浓度范围，并需要一定的能量点燃，才可能发生爆炸。由此可知，对气体混合物爆炸的爆炸极限和最小点火能的测定相当重要，对生产生活特别是化工生产也有着积极的指导意义。可燃气体的燃烧、爆炸是最严重的灾害性事故。最近几年，我国城市天然气及煤矿瓦斯爆炸重特大事故频频发生，给国家和人民财产造成了巨大损失，直接影响着我国经济、社会的可持

2、续发展。为了掌握防火防爆技术，了解可燃性混合气体的爆炸特性，掌握可燃性混合气体爆炸极限、最小发火能量的计算方法，以及进一步了解并掌握其危险特性，特做此课程设计。通过对爆炸极限的研究可以了解爆炸与燃烧与可燃物浓度的关系，以及最小发火能对其危险性的影响。燃烧与爆炸是非常激烈的化学反应，特别是爆炸，其反应速度非常快，反应的过程很难控制，如果不是按照人的意愿进行，只要其一发生，就会造成严重的后果。故只有认识其本质，才能从根本上解决它们产生的危害。2爆炸极限2.1爆炸极限理论可燃物质(可燃气体、蒸气、粉尘或纤维)与空气(氧气或氧化剂)均匀混合形成爆炸性混合物，其浓度达到一定的范围时，遇到明火或一定的引爆

3、能量便立即发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限(或爆炸浓度极限)。形成爆炸性混合物的最低浓度称为爆炸浓度下限，最高浓度称为爆炸浓度上限，爆炸浓度的上限、下限之间称为爆炸浓度范围。第14页共14页中北大学2009级课程设计说明书可燃气体或蒸气与空气的混合物，并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸，而且燃烧(或爆炸)的速率也随组成而变。实验发现，当混合物中可燃气体浓度接近化学反应式的化学计量比时，燃烧最快、最剧烈。若浓度减小或增加，火焰蔓延速率则降低。当浓度低于或高于某个极限值，火焰便不再蔓延。可燃气体或蒸气与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限；反之，能使火焰蔓延的最高浓度则

4、称为爆炸上限。可燃气体或蒸气与空气的混合物，若其浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不会发生燃烧或爆炸。爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的体积百分数表示，有时也用单位体积可燃气体的质量表示。混合气体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，活化中心的消失数大于产生数，阻止了火焰的蔓延。若浓度在爆炸上限以上时，含有过量的可燃气体，助燃气体不足，火焰也不能蔓延。但此时若补充空气，仍有着火和爆炸的危险。所以浓度在爆炸上限以上的混合气体不能认为其是安全的。2.2爆炸极限计算方法当混合气体燃烧时，燃烧波面上的化学反应可表示为A+B→C+D+Q　　　　式中 A、B为反应物；C、D为产物

5、；Q为燃烧热。A、B、C、D不一定是稳定分子，也可以是原子或自由基。化学反应前后的能量变化可用图（1）表示。初始状态Ⅰ的反应物(A+B)吸收活化能正达到活化状态Ⅱ，即可进行反应生成终止状态Ⅲ的产物(C+D)，并释放出能量W，W＝Q+E。能量IIEIWQIII时间图（2-1）假定反应系统在受能源激发后，燃烧波的基本反应浓度，即反应系统单位体积的反应数为n，则单位体积放出的能量为nW。如果燃烧波连续不断，放出的能量将成为新反应的活化能。设活化概率为α(α≤第14页共14页中北大学2009级课程设计说明书1)，则第二批单位体积内得到活化的基本反应数为anW/E，放出的能量为αnW2/E。后批分子与前

6、批分子反应时放出的能量比β定义为燃烧波传播系数，则 （2.1）现在讨论β的数值。当β<1时，表示反应系统受能源激发后，放出的热量越来越少，因而引起反应的分子数也越来越少，最后反应会终止，不能形成燃烧或爆炸。当β＝1时，表示反应系统受能源激发后均衡放热，有一定数量的分子持续反应。这是决定爆炸极限的条件(严格说卢值略微超过1时才能形成爆炸)。当β＞1时，表示放出的热量越来越多，引起反应的分子数也越来越多，从而形成爆炸。在爆炸极限时，β＝1，即（2.2）假设爆炸下限L下(体积分数)与活化概率α成正比，则有α＝KL下，其中K为比例常数。因此 （2.3）当Q与E相比很大时，上式可以近似写成（2.4）上式

7、近似地表示出爆炸下限L下与燃烧热Q和活化能正之间的关系。如果各可燃气体的活化能接近于某一常数，则可大体得出L下Q＝常数（2.5）这说明爆炸下限与燃烧热近于成反比，即是说可燃气体分子燃烧热越大，其爆炸下限就越低。各同系物的L下Q都近于一个常数表明上述结论是正确的。利用爆炸下限与燃烧热的乘积成常数的关系，可以推算同系物的爆炸下限。但此法不适用于氢、乙炔、二硫化碳等少数可燃气体爆炸下限的推算。式(2.5