爆炸极限及其计算方法

David

爆炸极限及其计算方法

一、概述简介

       可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（或氧气）必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。

       可燃性混合物的爆炸极限有爆炸（着火）下限和爆炸（着火）上限之分：分别称为爆炸下限和爆炸上限。上限指的是可燃性混合物能够发生爆炸的高浓度。在高于爆炸上限时，空气不足，导致火焰不能蔓延，既不爆炸，也不着火。下限指的是可燃性混合物能够发生爆炸的低浓度。由于可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，因此在低于爆炸下限时不爆炸也不着火。

二、影响因素

       一般规律是：

       1、混合系原始温度升高，则爆炸极限范围增大，即下限降低、上限升高。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。

       2、系统压力增大，爆炸极限范围也扩大，这是由于系统压力增高，使分子间距离更为接近，碰撞几率增高，使燃烧反应更易进行。压力降低，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，此时对应的压力称为混合系的临界压力。压力降至临界压力以下，系统便不成为爆炸系统（个别气体有反常现象）。

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

       4、容器、管子直径越小，则爆炸范围就越小。当管径（火焰通道）小到一定程度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散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该混合系的临界直径。

       5、点火能的强度高、热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大。

       除上述因素外，混合系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。

三、计算方法

       可燃物质爆炸极限一般通过实验使用专门仪器测量得出，也可通过爆炸反应当量浓度进行估算（一般用于链烷烃，但当应用于氢、乙炔、以及含有氮、氯、硫等有机气体时，偏差较大，不宜应用），一般估算值与实验值有一定差别，但采用安全系数后，仍可供参考，具体计算方式如下：

       1、计算公式

       （1）爆炸下限

       爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度可以用来确定链烷烃的爆炸下限，计算公式为：

L下=0.55Co

       式中Co为爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度；0.55为常数。如果空气中氧的含量按照20.9%计算，Co的计算式则为：

       式中no为1分子可燃气体完全燃烧时所需的氧分子数。

       （2）爆炸上限

       常压下25℃的链烷烃在空气中的爆炸上、下限有如下关系：

L上=7.1L下0.56

       如果在爆炸上限附近不伴有冷火焰，上式可简化为

L上=6.5√L下

       把上式进一步简化，可得

L上=4.8√Co

       2、举例说明

       例如甲烷完全燃烧时的反应式为CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O,这里1个甲烷分子完全燃烧时所需的氧分子数为2个，即no=2，代入公式，可得Co=9.46，L下=5.20，L上=17.87即甲烷爆炸下限的计算值为5.2%，爆炸上限的计算值为5.2%，与Riskcurves 9.0数据库记录数据（爆炸下限4.4%，爆炸上限16.5%）相差不大。

四、实际运用

       现有一个密闭车间长51.76m、宽13.65m、高6.5m，室温25℃，内有甲醇储槽C103，容积40立方米（常温常压储存），若发生泄漏是否可能引起火灾爆炸？（已知甲醇爆炸下限7.3%，爆炸上限36%）

       根据理想气体方程pV=nRT。P指压强单位pa，V指体积单位m3，n指气体的摩尔数（气体质量除以气体的摩尔质量），R是摩尔气体常量。一般国际制单位中R=8.31，T为气体温度，一般以开尔文(K)为单位。

       1、首先计算甲醇完全为气体状态时体积：

       V甲醇=nRT/p=(40*0.79*1000000/32.04186)*8.31*（25+273.15）/101325=24115.07m3

       2、计算空气体积

       V空气=51.76*13.65*6.5=4592.406m3

       3、最高气体浓度

       A甲醇=V甲醇/（V甲醇+V空气）=84%

       经计算得出，车间内甲醇气体浓度为0-84%，爆炸范围为7.3-36%，所以可能引起火灾爆炸。

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