安全工程师安全生产技术笔记第九讲

1、安全工程师安全生产技术笔记第九讲 一、大纲要求： 检验应考人员对爆炸上限和下限、含有惰性气体组成混合物爆炸极限计算的掌握程度；对粉尘爆炸特点 的熟悉程度。二、重点、难点：1了解爆炸反应浓度、爆炸温度和压力的计算； 2掌握爆炸上限和下限、含有惰性气体组成混合物爆炸极限的计算。3了解粉尘爆炸的机理与特点；4掌握粉尘爆炸的影响因素；5熟悉粉尘爆炸的特性；6掌握控制产生粉尘爆炸的技术措施。（二）爆炸反应浓度、爆炸温度和压力的计算1爆炸完全反应浓度计算 爆炸混合物中的可燃物质和助燃物质完全反应的浓度也就是理论上完全燃烧时在混合物中可燃物的含 量，根据化学反应方程式可以计算可燃气体或蒸气的完全反应浓度。现

2、举例如下： 例 求乙炔在氧气中完全反应的浓度。 解 写出乙炔在氧气中的燃烧反应式：2C2H2+502 = 4C02+2H20+Q根据反应式得知，参加反应物质的总体积为 2+5 = 7。若以 7这个总体积为 100，则 2个体积的乙炔 在总体积中占：Xo = 2/7 = 286 答：乙炔在氧气中完全反应的浓度为 28 6。 可燃气体或蒸气的化学当量浓度，也可用以下方法计算。燃气体或蒸气分子式一般用Ca HB 0丫表示，设燃烧1 mol气体所必需的氧的物质的量为n,则燃烧反 应式可写成：Ca HB 0丫+ nO2 生成气体如果把空气中氧气的浓度取为 209，则在空气中可燃气体完全反应的浓度 x（

3、）一般可用下式表示：1X = = % （2 4）n+ n1+ 又设在氧气中可燃气体完全反应的浓度为X0（） ，即：100X0 = %（25）1+n式（2 4）和式（2 5）表示出X和X。与n或2n之间的关系（2n表示反应中氧的原子数）。Ca HB 0丫+ nO2 a CO2 +1/2 B H2O式中2n = 2a +1/2 B - 丫，对于石蜡烃B =2a+2。因此，2n = 3a+1- 丫。根据2n的数值，从表2 4 中可直接查出可燃气体或蒸气在空气 （或氧气 ） 中完全反应的浓度。例试分别求H2、CH3OHC3H8 C6H6在空气中和氧气中完全反应的浓度解(1) 公式法：X( H2 )=%

4、 = +100X0 ( H2 )=1+nX(CH3OH )=% =+X0 (CH3OH )=100% =40 1+X(C3H8)= % =+ 5100X0 (C3H8)=1+ 5X(C6H6)=100X0 (C6H6 )= % =1+查表法：根据可燃物分子式，用公式 2n = 2a +1/2 B - 丫，求出其2n值。由2n数值，直接从表 24中分别查出它们在空气 (或氧)中完全反应的浓度。由式2n = 2a +1/2 B - 丫，依分子式分别求出2n值如下：H22n=1CH30H2n=3C3H82n=10C6H62n=15X(H2)= X(CH30H)=12 X(C3H8)=4 X(C6H6

5、)=27由2n值直接从表2-4分别查出它们的X和Xo值：X。 (H2)=X。 (CH30H)=40X。 (C3H8)=167X。 (C6H6)=表 24 可燃气体 ( 蒸气 )在空气和氧气中完全反应的浓度2爆炸温度计算1)根据反应热计算爆炸温度 理论上的爆炸最高温度可根据反应热计算。 例 求乙醚与空气的混合物的爆炸温度。 解 (1) 先列出乙醚在空气中燃烧的反应方程式：C4H100 + 602 + 4C02 + 5H2O +式中，氮的摩尔数是按空气中 N2： 02=79： 21的比例确定的，即602对应的N2应为：6X 79/21 = 22 6由反应方程式可知，爆炸前的分子数为，爆炸后为。(2

6、) 计算燃烧各产物的热容。 气体平均摩尔定容热容计算式见表 2 5。表 2-5 气体平均摩尔定容热容计算式 根据表中所列计算式，燃烧产物各组分的热容为：N:的摩尔定容热容为+ X 4186. 8J /(kmolC )H20的摩尔定容热容为+ X4186. 8J /(kmol C )CO的摩尔定容热容为+ X4186. 8J /(kmol C ) 燃烧产物的热容为：+ XJ/(kmol C )= (454+0. 042t) X1O3J/(kmol C )5(4 . 0+0. 00215t) X4186， 8J/(kmol C ) = (83 . 7+0. 045t) X1O3J/(kmol C

7、) 4(9 . 0+0. 00058t) X 4186. 8J /(kmol C )=E(150 . 7+0. 0097t) X 1O3J/(kmol C )燃烧产物的总热容为+X 103J/(kmol C )。这里的热容是定容热容,符合于密闭容器中爆炸情况。(3) 求爆炸最高温度。先查得乙醚的燃烧热为X lO6J / mol，即X 109J/kmol。 因为爆炸速度极快，是在近乎绝热情况下进行的，所以全部燃烧热可近似地看作用于提高燃烧产物的温 度，也就是等于燃烧产物热容与温度的乘积，即：=+ X 103 t解上式得爆炸最高温度 t=2826C。上面计算是将原始温度视为0C。爆炸最高温度非常高

8、，虽然与实际值有若干度的误差，但对计算结果 的准确性并无显著的影响。2)根据燃烧反应方程式与气体的内能计算爆炸温度 可燃气体或蒸气的爆炸温度可利用能量守恒的规律估算， 即根据爆炸后各生成物内能之和与爆炸前各种 物质内能及物质的燃烧热的总和相等的规律进行计算。用公式表达为：Eu 2=E Q+u l(2-6)式中Xu 2燃烧后产物的内能之总和；Eu l 燃烧前物质的内能之总和 ;E Q燃烧物质的燃烧热之总和。例已知一氧化碳在空气中的浓度为 20%,求CO与空气混合物的爆炸温度。爆炸混合物的最初温度为 300K。解 通常空气中氧占 21%，氮占 79%，所以混合物中氧和氮分别占氧 21100-20氮

9、 79X100100-20 = 100由于气体体积之比等于其摩尔数之比，所以将体积百分比换算成摩尔数，即 l mol 混合物中应有 mol 一氧化碳、氧和 mol 氮。从表2 6查得一氧化碳、氧、氮在300K时，其摩尔内能分别为J/mol、J/mol和/mol,混合物的摩尔内能为：Eu 1= x+x+xj一氧化碳的燃烧热为285624J，则 mol 氧化碳的燃烧热为：x 285624)J=燃烧后各生成物内能之和应为：Eu 2= +J =从一氧化碳燃烧反应式2CO+O2 = 2CO2可以看出，mol 氧化碳燃烧时生成二氧化碳，消耗氧。1mol混合物中，原有氧，燃烧后应剩下 mol 氧，氮的数量不

10、发生变化，则燃烧产物的组成是：二氧化碳 mol，氧，氮。假定爆炸温度为2400K由表26查得二氧化碳、氧和氨的摩尔内能分别为/ mol、/ mol和/ mol，则 燃烧产物的内能为：Eu 2= (O2x + x +x J=62974 5J说明爆炸温度高于2400K,于是再假定爆炸温度为2600K,则内能之和应为；Eu 2”=(O2x +x +x J=Eu 2”值又大于Eu2值，因相差不太大，所以准确的爆炸温度可用内插法求得：2600 -2400T=2400+）K =（ 2400+12）K=2412K以摄氏温度表示为：t=(T 273) C =(2412 273) C = 2139C3爆炸压力的

11、计算可燃性混合物爆炸产生的压力与初始压力、初始温度、浓度、组分以及容器的形状、大小等因素有关 爆炸时产生的最大压力可按压力与温度及摩尔数成正比的规律确定，根据这个规律有下列关系式：PT = x (27)P0T0m式中P、T和n爆炸后的最大压力、最高温度和气体摩尔数；Po To和m爆炸前的初始压力、初始温度和气体摩尔数。由此可以得出爆炸压力计算公式：T nP = x P0(28)T0 m例设Po = 0. 1MPa To=27C, T=2411K求一氧化碳与空气混合物的最大爆炸压力。 解 当可燃物质的浓度等于或稍高于完全反应的浓度时，爆炸产生的压力最大，所以计算时应采用完全 反应的浓度。先按一氧

12、化碳的燃烧反应式计算爆炸前后的气体摩尔数：2CO+O2+=2C02+由此可得出m= n=，代入式(2 8)，得：2411X XP = =300X以上计算的爆炸温度与压力都没有考虑热损失，是按理论的空气量计算的，所得的数值都是最大值。 (三)爆炸上限和下限的计算，含有惰性气体组成混合物爆炸极限计算1 爆炸上限和下限的计算(1) 根据完全燃烧反应所需氧原子数，估算碳氢化合物的爆炸下限和上限，其经验公式如下：100L 下= (2 9)(N-1)+14X 100L 上= (2 10)N+4式中 L 下-碳氢化台物的爆炸下限；L 上碳氢化合物的爆炸上限；N每摩尔可燃气体完全燃烧所需氧原子数。 例 试求乙

13、烷在空气中的爆炸下限和上限。解写出乙烷的燃烧反应式，求出 N值：C2H6+ = 2C02+2H20则 N = 7 。将N值分别代入式(2 9)及式(2 10)，得；L下=100= %100(7-1)+1L上 =4 X 100= %400X 7+4乙烷在空气中的爆炸下限浓度为 338，爆炸上限浓度为 107。实验测得乙烷的爆炸下限为 30，爆炸上限为 125，对比上述估算结果，可知用此方法估算的爆 炸上限值小于实验测得的值。(2) 根据爆炸性混合气体完全燃烧时摩尔分散，确定有机物的爆炸下限及上限。计算公式如下：L 下二。(2 11)L 上=V Xo(2 12)式中X。为可燃气体摩尔分数，也就是完

14、全燃烧时在混合气体中该可燃气体的含量。2多种可燃气体组成的混合物的爆炸极限计算 由多种可燃气体组成爆炸性混合气体的爆炸极限，可根据各组分的爆炸极限进行计算。其计算公式如 下：Lm(2 13)V1 V2 V3+ + + L1 L2 L3式中 L爆炸性混合气的爆炸极限，;L1、L2、L3组成混合气各组分的爆炸极限，;VI、V2、V3各组分在混合气中的浓度，。V1+ V2+ V3+=100%例如，某种天然气的组成如下：甲烷 80，乙烷 15，丙烷 4，丁烷 1。各组分相应的爆炸下限分 别为 5%，%，%和%，则天然气的爆炸下限为;100Lm = =%80 15 4 1 + + + 5 将各组分的爆炸

15、上限代入式 (213)，可求出天然气的爆炸上限。式(2 一 13)用于煤气、水煤气、天然气等混合气爆炸极限的计算比较准确，而对于氢与乙烯、氢与硫化 氢、甲烷与硫化氢等混合气及一些含二硫化碳的混合气体，计算的误差较大。3含有惰性气体组成混合物的爆炸极限计算 如果爆炸性混合气体中含有惰性气体如氮、二氧化碳等，计算爆炸极限时，可先求出混合物中由可燃气 体和惰性气体分别组成的混合比， 再从图 27和图 28中找出它们的爆炸极限， 并分别代入式 (213) 中求得。例求某回收煤气的爆炸极限，其组分为： CO 58%， C02 %， N2 %， 02%， H2 %。解将煤气中的可燃气体和惰性气体组合为两组

16、：(1) C0 和 C02,即卩 58(C0)+19 . 4(C02) = 77. 4% (C0+ C02)其中，惰性气体可燃气体 = C02C0 = 19458 = O33由图2 7中查得，L上=70%,L下=17%。(2) N2 和 H2,即(H2)+(N2)=22. 2% (N2+H2)其中，惰性气体可燃气体 = N2H2 = =从图2 7查得L上 =76%，L下=64%将上述数据代入式 (213)即可求得煤气的爆炸极限：L下=1= %17 + 641L上= %70 + 76该煤气的爆炸极限为。三、粉尘爆炸的特点(一) 粉尘爆炸的机理和特点当可燃性固体呈粉体状态，粒度足够细，飞扬悬浮于空

17、气中，并达到一定浓度，在相对密闭的空间内，遇到足够的点火能量，就能发生粉尘爆炸。具有粉尘爆炸危险性的物质较多，常见的有金属粉尘 （ 如镁 粉、铝粉等 ） 、煤粉、粮食粉尘、饲料粉尘、棉麻粉尘、烟草粉尘、纸粉、木粉、火炸药粉尘及大多数 含有C, H元素、与空气中氧反应能放热的有机合成材料粉尘等。 粉尘爆炸是一个瞬间的连锁反应，属于不定常的气固二相流反应，其爆炸过程比较复杂，它将受诸多因 素的制约。所以,有关粉尘爆炸的机理至今尚在不断研究和不断完善之中。日本安全工学协会编的爆 炸一书阐述了一种比较典型的粉尘爆炸机理。 这种观点认为从最初的粉尘粒子形成到发生爆炸的过程, 如图 2 9 所示。粉尘粒子

18、表面通过热传导和热辐射,从火源获得能量,使表面温度急剧升高,达到粉 尘粒子加速分解的温度和蒸发温度,形成粉尘蒸气或分解气体,这种气体与空气混合后就容易引起点火 （气相点火 ）。另外, 粉尘粒子本身相继发生熔融气化, 进发出微小火花, 成为周围未燃烧粉尘的点火源, 使之着火,从而扩大了爆炸范围,这一过程与气体爆炸相比就复杂得多。 从粉尘爆炸过程可以看出粉尘爆炸有如下特点：（1）粉尘爆炸速度或爆炸压力上升速度比爆炸气体小,但燃烧时间长,产生的能量大,破坏程度大。（2）爆炸感应期较长,粉尘的爆炸过程比气体的爆炸过程复杂,要经过尘粒的表面分解或蒸发阶段及由 表面向中心延烧的过程,所以感应期比气体长得多

19、。（3）有产生二次爆炸的可能性。因为粉尘初次爆炸产生的冲击波会将堆积的粉尘扬起,悬浮在空气中, 在新的空间形成达到爆炸极限浓度范围内的混合物,而飞散的火花和辐射热成为点火源,引起第二次爆 炸，这种连续爆炸会造成严重的破坏。粉尘有不完全燃烧现象，在燃烧后的气体中含有大量的CO及粉尘（如塑料粉）自身分解的有毒气体,会伴随中毒死亡的事故。（二）粉尘爆炸的特性及影响因素 评价粉尘爆炸危险性的主要特征参数是爆炸极限、最小点火能量、最低着火温度、粉尘爆炸压力及压力 上升速率。粉尘爆炸极限不是固定不变的，它的影响因素主要有粉尘粒度、分散度、湿度、点火源的性质、可燃气 含量、氧含量、惰性粉尘和灰分温度等。一般来说，粉尘粒度越细，分散度越高，可燃气体和氧的含量 越大，火源强度、初始温度越高，湿度越低，惰性粉尘及灰分越少，爆炸极限范围越大，粉尘爆炸危险 性也就越大。粉尘爆炸压力及压力上升速率 （dPdt） 主要受粉尘粒度、初始压力、粉尘爆炸容器、湍流度等因素的影 响。粒度对粉尘爆炸压力上升速率的影响比粉尘爆炸压力大得多。当粉尘粒度越细，比表面越大，反应速度越快，爆炸上升速率就越大。随初始压力的增大对密闭容器的 粉尘爆炸压力及压力上升速率也增大，当初始压力低于压力极限时 （如数十毫巴 ），粉尘则不再可能发生 爆炸。与可燃气爆炸一样，容器尺寸会对粉尘爆炸压力及压力上升