1、安全工程師安全生產(chǎn)技術(shù)筆記第九講 一、大綱要求： 檢驗(yàn)應(yīng)考人員對爆炸上限和下限、含有惰性氣體組成混合物爆炸極限計算的掌握程度；對粉塵爆炸特點(diǎn) 的熟悉程度。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：1了解爆炸反應(yīng)濃度、爆炸溫度和壓力的計算； 2掌握爆炸上限和下限、含有惰性氣體組成混合物爆炸極限的計算。3了解粉塵爆炸的機(jī)理與特點(diǎn)；4掌握粉塵爆炸的影響因素；5熟悉粉塵爆炸的特性；6掌握控制產(chǎn)生粉塵爆炸的技術(shù)措施。（二）爆炸反應(yīng)濃度、爆炸溫度和壓力的計算1爆炸完全反應(yīng)濃度計算 爆炸混合物中的可燃物質(zhì)和助燃物質(zhì)完全反應(yīng)的濃度也就是理論上完全燃燒時在混合物中可燃物的含 量，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可以計算可燃?xì)怏w或蒸氣的完全反應(yīng)濃度?，F(xiàn)

2、舉例如下： 例 求乙炔在氧氣中完全反應(yīng)的濃度。 解 寫出乙炔在氧氣中的燃燒反應(yīng)式：2C2H2+502 = 4C02+2H20+Q根據(jù)反應(yīng)式得知，參加反應(yīng)物質(zhì)的總體積為 2+5 = 7。若以 7這個總體積為 100，則 2個體積的乙炔 在總體積中占：Xo = 2/7 = 286 答：乙炔在氧氣中完全反應(yīng)的濃度為 28 6。 可燃?xì)怏w或蒸氣的化學(xué)當(dāng)量濃度，也可用以下方法計算。燃?xì)怏w或蒸氣分子式一般用Ca HB 0丫表示，設(shè)燃燒1 mol氣體所必需的氧的物質(zhì)的量為n,則燃燒反 應(yīng)式可寫成：Ca HB 0丫+ nO2 生成氣體如果把空氣中氧氣的濃度取為 209，則在空氣中可燃?xì)怏w完全反應(yīng)的濃度 x（

3、）一般可用下式表示：1X = = % （2 4）n+ n1+ 又設(shè)在氧氣中可燃?xì)怏w完全反應(yīng)的濃度為X0（） ，即：100X0 = %（25）1+n式（2 4）和式（2 5）表示出X和X。與n或2n之間的關(guān)系（2n表示反應(yīng)中氧的原子數(shù)）。Ca HB 0丫+ nO2 a CO2 +1/2 B H2O式中2n = 2a +1/2 B - 丫，對于石蠟烴B =2a+2。因此，2n = 3a+1- 丫。根據(jù)2n的數(shù)值，從表2 4 中可直接查出可燃?xì)怏w或蒸氣在空氣 （或氧氣 ） 中完全反應(yīng)的濃度。例試分別求H2、CH3OHC3H8 C6H6在空氣中和氧氣中完全反應(yīng)的濃度解(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：根據(jù)可燃物分子式，用公式 2n = 2a +1/2 B - 丫，求出其2n值。由2n數(shù)值，直接從表 24中分別查出它們在空氣 (或氧)中完全反應(yīng)的濃度。由式2n = 2a +1/2 B - 丫，依分子式分別求出2n值如下：H22n=1CH30H2n=3C3H82n=10C6H62n=15X(H2)= X(CH30H)=12 X(C3H8)=4 X(C6H6

5、)=27由2n值直接從表2-4分別查出它們的X和Xo值：X。 (H2)=X。 (CH30H)=40X。 (C3H8)=167X。 (C6H6)=表 24 可燃?xì)怏w ( 蒸氣 )在空氣和氧氣中完全反應(yīng)的濃度2爆炸溫度計算1)根據(jù)反應(yīng)熱計算爆炸溫度 理論上的爆炸最高溫度可根據(jù)反應(yīng)熱計算。 例 求乙醚與空氣的混合物的爆炸溫度。 解 (1) 先列出乙醚在空氣中燃燒的反應(yīng)方程式：C4H100 + 602 + 4C02 + 5H2O +式中，氮的摩爾數(shù)是按空氣中 N2： 02=79： 21的比例確定的，即602對應(yīng)的N2應(yīng)為：6X 79/21 = 22 6由反應(yīng)方程式可知，爆炸前的分子數(shù)為，爆炸后為。(2

6、) 計算燃燒各產(chǎn)物的熱容。 氣體平均摩爾定容熱容計算式見表 2 5。表 2-5 氣體平均摩爾定容熱容計算式 根據(jù)表中所列計算式，燃燒產(chǎn)物各組分的熱容為：N:的摩爾定容熱容為+ X 4186. 8J /(kmolC )H20的摩爾定容熱容為+ X4186. 8J /(kmol C )CO的摩爾定容熱容為+ X4186. 8J /(kmol C ) 燃燒產(chǎn)物的熱容為：+ 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 )燃燒產(chǎn)物的總熱容為+X 103J/(kmol C )。這里的熱容是定容熱容,符合于密閉容器中爆炸情況。(3) 求爆炸最高溫度。先查得乙醚的燃燒熱為X lO6J / mol，即X 109J/kmol。 因?yàn)楸ㄋ俣葮O快，是在近乎絕熱情況下進(jìn)行的，所以全部燃燒熱可近似地看作用于提高燃燒產(chǎn)物的溫 度，也就是等于燃燒產(chǎn)物熱容與溫度的乘積，即：=+ X 103 t解上式得爆炸最高溫度 t=2826C。上面計算是將原始溫度視為0C。爆炸最高溫度非常高

8、，雖然與實(shí)際值有若干度的誤差，但對計算結(jié)果 的準(zhǔn)確性并無顯著的影響。2)根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式與氣體的內(nèi)能計算爆炸溫度 可燃?xì)怏w或蒸氣的爆炸溫度可利用能量守恒的規(guī)律估算， 即根據(jù)爆炸后各生成物內(nèi)能之和與爆炸前各種 物質(zhì)內(nèi)能及物質(zhì)的燃燒熱的總和相等的規(guī)律進(jìn)行計算。用公式表達(dá)為：Eu 2=E Q+u l(2-6)式中Xu 2燃燒后產(chǎn)物的內(nèi)能之總和；Eu l 燃燒前物質(zhì)的內(nèi)能之總和 ;E Q燃燒物質(zhì)的燃燒熱之總和。例已知一氧化碳在空氣中的濃度為 20%,求CO與空氣混合物的爆炸溫度。爆炸混合物的最初溫度為 300K。解 通常空氣中氧占 21%，氮占 79%，所以混合物中氧和氮分別占氧 21100-20氮

9、 79X100100-20 = 100由于氣體體積之比等于其摩爾數(shù)之比，所以將體積百分比換算成摩爾數(shù)，即 l mol 混合物中應(yīng)有 mol 一氧化碳、氧和 mol 氮。從表2 6查得一氧化碳、氧、氮在300K時，其摩爾內(nèi)能分別為J/mol、J/mol和/mol,混合物的摩爾內(nèi)能為：Eu 1= x+x+xj一氧化碳的燃燒熱為285624J，則 mol 氧化碳的燃燒熱為：x 285624)J=燃燒后各生成物內(nèi)能之和應(yīng)為：Eu 2= +J =從一氧化碳燃燒反應(yīng)式2CO+O2 = 2CO2可以看出，mol 氧化碳燃燒時生成二氧化碳，消耗氧。1mol混合物中，原有氧，燃燒后應(yīng)剩下 mol 氧，氮的數(shù)量不

10、發(fā)生變化，則燃燒產(chǎn)物的組成是：二氧化碳 mol，氧，氮。假定爆炸溫度為2400K由表26查得二氧化碳、氧和氨的摩爾內(nèi)能分別為/ mol、/ mol和/ mol，則 燃燒產(chǎn)物的內(nèi)能為：Eu 2= (O2x + x +x J=62974 5J說明爆炸溫度高于2400K,于是再假定爆炸溫度為2600K,則內(nèi)能之和應(yīng)為；Eu 2”=(O2x +x +x J=Eu 2”值又大于Eu2值，因相差不太大，所以準(zhǔn)確的爆炸溫度可用內(nèi)插法求得：2600 -2400T=2400+）K =（ 2400+12）K=2412K以攝氏溫度表示為：t=(T 273) C =(2412 273) C = 2139C3爆炸壓力的

11、計算可燃性混合物爆炸產(chǎn)生的壓力與初始壓力、初始溫度、濃度、組分以及容器的形狀、大小等因素有關(guān) 爆炸時產(chǎn)生的最大壓力可按壓力與溫度及摩爾數(shù)成正比的規(guī)律確定，根據(jù)這個規(guī)律有下列關(guān)系式：PT = x (27)P0T0m式中P、T和n爆炸后的最大壓力、最高溫度和氣體摩爾數(shù)；Po To和m爆炸前的初始壓力、初始溫度和氣體摩爾數(shù)。由此可以得出爆炸壓力計算公式：T nP = x P0(28)T0 m例設(shè)Po = 0. 1MPa To=27C, T=2411K求一氧化碳與空氣混合物的最大爆炸壓力。 解 當(dāng)可燃物質(zhì)的濃度等于或稍高于完全反應(yīng)的濃度時，爆炸產(chǎn)生的壓力最大，所以計算時應(yīng)采用完全 反應(yīng)的濃度。先按一氧

12、化碳的燃燒反應(yīng)式計算爆炸前后的氣體摩爾數(shù)：2CO+O2+=2C02+由此可得出m= n=，代入式(2 8)，得：2411X XP = =300X以上計算的爆炸溫度與壓力都沒有考慮熱損失，是按理論的空氣量計算的，所得的數(shù)值都是最大值。 (三)爆炸上限和下限的計算，含有惰性氣體組成混合物爆炸極限計算1 爆炸上限和下限的計算(1) 根據(jù)完全燃燒反應(yīng)所需氧原子數(shù)，估算碳?xì)浠衔锏谋ㄏ孪藓蜕舷蓿浣?jīng)驗(yàn)公式如下：100L 下= (2 9)(N-1)+14X 100L 上= (2 10)N+4式中 L 下-碳?xì)浠_物的爆炸下限；L 上碳?xì)浠衔锏谋ㄉ舷蓿籒每摩爾可燃?xì)怏w完全燃燒所需氧原子數(shù)。 例 試求乙

13、烷在空氣中的爆炸下限和上限。解寫出乙烷的燃燒反應(yīng)式，求出 N值：C2H6+ = 2C02+2H20則 N = 7 。將N值分別代入式(2 9)及式(2 10)，得；L下=100= %100(7-1)+1L上 =4 X 100= %400X 7+4乙烷在空氣中的爆炸下限濃度為 338，爆炸上限濃度為 107。實(shí)驗(yàn)測得乙烷的爆炸下限為 30，爆炸上限為 125，對比上述估算結(jié)果，可知用此方法估算的爆 炸上限值小于實(shí)驗(yàn)測得的值。(2) 根據(jù)爆炸性混合氣體完全燃燒時摩爾分散，確定有機(jī)物的爆炸下限及上限。計算公式如下：L 下二。(2 11)L 上=V Xo(2 12)式中X。為可燃?xì)怏w摩爾分?jǐn)?shù)，也就是完

14、全燃燒時在混合氣體中該可燃?xì)怏w的含量。2多種可燃?xì)怏w組成的混合物的爆炸極限計算 由多種可燃?xì)怏w組成爆炸性混合氣體的爆炸極限，可根據(jù)各組分的爆炸極限進(jìn)行計算。其計算公式如 下：Lm(2 13)V1 V2 V3+ + + L1 L2 L3式中 L爆炸性混合氣的爆炸極限，;L1、L2、L3組成混合氣各組分的爆炸極限，;VI、V2、V3各組分在混合氣中的濃度，。V1+ V2+ V3+=100%例如，某種天然氣的組成如下：甲烷 80，乙烷 15，丙烷 4，丁烷 1。各組分相應(yīng)的爆炸下限分 別為 5%，%，%和%，則天然氣的爆炸下限為;100Lm = =%80 15 4 1 + + + 5 將各組分的爆炸

15、上限代入式 (213)，可求出天然氣的爆炸上限。式(2 一 13)用于煤氣、水煤氣、天然氣等混合氣爆炸極限的計算比較準(zhǔn)確，而對于氫與乙烯、氫與硫化 氫、甲烷與硫化氫等混合氣及一些含二硫化碳的混合氣體，計算的誤差較大。3含有惰性氣體組成混合物的爆炸極限計算 如果爆炸性混合氣體中含有惰性氣體如氮、二氧化碳等，計算爆炸極限時，可先求出混合物中由可燃?xì)?體和惰性氣體分別組成的混合比， 再從圖 27和圖 28中找出它們的爆炸極限， 并分別代入式 (213) 中求得。例求某回收煤氣的爆炸極限，其組分為： CO 58%， C02 %， N2 %， 02%， H2 %。解將煤氣中的可燃?xì)怏w和惰性氣體組合為兩組

16、：(1) C0 和 C02,即卩 58(C0)+19 . 4(C02) = 77. 4% (C0+ C02)其中，惰性氣體可燃?xì)怏w = C02C0 = 19458 = O33由圖2 7中查得，L上=70%,L下=17%。(2) N2 和 H2,即(H2)+(N2)=22. 2% (N2+H2)其中，惰性氣體可燃?xì)怏w = N2H2 = =從圖2 7查得L上 =76%，L下=64%將上述數(shù)據(jù)代入式 (213)即可求得煤氣的爆炸極限：L下=1= %17 + 641L上= %70 + 76該煤氣的爆炸極限為。三、粉塵爆炸的特點(diǎn)(一) 粉塵爆炸的機(jī)理和特點(diǎn)當(dāng)可燃性固體呈粉體狀態(tài)，粒度足夠細(xì)，飛揚(yáng)懸浮于空

17、氣中，并達(dá)到一定濃度，在相對密閉的空間內(nèi)，遇到足夠的點(diǎn)火能量，就能發(fā)生粉塵爆炸。具有粉塵爆炸危險性的物質(zhì)較多，常見的有金屬粉塵 （ 如鎂 粉、鋁粉等 ） 、煤粉、糧食粉塵、飼料粉塵、棉麻粉塵、煙草粉塵、紙粉、木粉、火炸藥粉塵及大多數(shù) 含有C, H元素、與空氣中氧反應(yīng)能放熱的有機(jī)合成材料粉塵等。 粉塵爆炸是一個瞬間的連鎖反應(yīng)，屬于不定常的氣固二相流反應(yīng)，其爆炸過程比較復(fù)雜，它將受諸多因 素的制約。所以,有關(guān)粉塵爆炸的機(jī)理至今尚在不斷研究和不斷完善之中。日本安全工學(xué)協(xié)會編的爆 炸一書闡述了一種比較典型的粉塵爆炸機(jī)理。 這種觀點(diǎn)認(rèn)為從最初的粉塵粒子形成到發(fā)生爆炸的過程, 如圖 2 9 所示。粉塵粒子

18、表面通過熱傳導(dǎo)和熱輻射,從火源獲得能量,使表面溫度急劇升高,達(dá)到粉 塵粒子加速分解的溫度和蒸發(fā)溫度,形成粉塵蒸氣或分解氣體,這種氣體與空氣混合后就容易引起點(diǎn)火 （氣相點(diǎn)火 ）。另外, 粉塵粒子本身相繼發(fā)生熔融氣化, 進(jìn)發(fā)出微小火花, 成為周圍未燃燒粉塵的點(diǎn)火源, 使之著火,從而擴(kuò)大了爆炸范圍,這一過程與氣體爆炸相比就復(fù)雜得多。 從粉塵爆炸過程可以看出粉塵爆炸有如下特點(diǎn)：（1）粉塵爆炸速度或爆炸壓力上升速度比爆炸氣體小,但燃燒時間長,產(chǎn)生的能量大,破壞程度大。（2）爆炸感應(yīng)期較長,粉塵的爆炸過程比氣體的爆炸過程復(fù)雜,要經(jīng)過塵粒的表面分解或蒸發(fā)階段及由 表面向中心延燒的過程,所以感應(yīng)期比氣體長得多

19、。（3）有產(chǎn)生二次爆炸的可能性。因?yàn)榉蹓m初次爆炸產(chǎn)生的沖擊波會將堆積的粉塵揚(yáng)起,懸浮在空氣中, 在新的空間形成達(dá)到爆炸極限濃度范圍內(nèi)的混合物,而飛散的火花和輻射熱成為點(diǎn)火源,引起第二次爆 炸，這種連續(xù)爆炸會造成嚴(yán)重的破壞。粉塵有不完全燃燒現(xiàn)象，在燃燒后的氣體中含有大量的CO及粉塵（如塑料粉）自身分解的有毒氣體,會伴隨中毒死亡的事故。（二）粉塵爆炸的特性及影響因素 評價粉塵爆炸危險性的主要特征參數(shù)是爆炸極限、最小點(diǎn)火能量、最低著火溫度、粉塵爆炸壓力及壓力 上升速率。粉塵爆炸極限不是固定不變的，它的影響因素主要有粉塵粒度、分散度、濕度、點(diǎn)火源的性質(zhì)、可燃?xì)?含量、氧含量、惰性粉塵和灰分溫度等。一般來說，粉塵粒度越細(xì)，分散度越高，可燃?xì)怏w和氧的含量 越大，火源強(qiáng)度、初始溫度越高，濕度越低，惰性粉塵及灰分越少，爆炸極限范圍越大，粉塵爆炸危險 性也就越大。粉塵爆炸壓力及壓力上升速率 （dPdt） 主要受粉塵粒度、初始壓力、粉塵爆炸容器、湍流度等因素的影 響。粒度對粉塵爆炸壓力上升速率的影響比粉塵爆炸壓力大得多。當(dāng)粉塵粒度越細(xì)，比表面越大，反應(yīng)速度越快，爆炸上升速率就越大。隨初始壓力的增大對密閉容器的 粉塵爆炸壓力及壓力上升速率也增大，當(dāng)初始壓力低于壓力極限時 （如數(shù)十毫巴 ），粉塵則不再可能發(fā)生 爆炸。與可燃?xì)獗ㄒ粯樱萜鞒叽鐣Ψ蹓m爆炸壓力及壓力上升