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

2、,直接影响着我国经济、社会的可持续发展。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

3、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

4、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。

5、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;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

6、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

7、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

8、炸下限的推算。式(2.5

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