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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286。 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CHO表示，设燃烧1mol气体所必需的氧的物质的量为n，则燃烧反应式可写成： CHO+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()一般可用下式表示： 120.9 X=-%(24) n0.209+n 1+ 0.209 又设在氧气中可燃气体完全反应的浓度为X0()，即： 100 X0=%（25） 1+n 式(24)和式(25)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)。 CHO+nO2CO2+1/2H2O 式中2n=2+1/2-，对于石蜡烃=2a+2。因此，2n=3a+1-。根据2n的数值，从表24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、CH3OH、C3H8C6H6在空气中和氧气中完全反应的浓度。 解 (1)公式法： 20.9 X(H2)=%=29.48 0.209+0.5 100 X0(H2)=%=66.7 1+n 20.9 X(CH3OH)=%=12.23 0.209+1.5 100 X0(CH3OH)=%=40 1+1.5 20.9 X(C3H8)=%=4.01 0.209+5 100 X0(C3H8)=%=16.7 1+5 20.9 X(C6H6)=%=2.71 0.209+7.5 100 X0(C6H6)=%=11.8 1+7.5 (2)查表法：根据可燃物分子式，用公式2n=2+1/2-，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=2+1/2-，依分子式分别求出2n值如下： H22n=1 CH30H2n=3 C3H82n=10 C6H62n=15 由2n值直接从表2-4分别查出它们的X和Xo值： X(H2)=29.5X。(H2)=66.7 X(CH30H)=12X。(CH30H)=40 X(C3H8)=4X。(C3H8)=167 X(C6H6)=27X。(C6H6)=11.76 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+22.6N4C02+5H2O+22.6N2 式中，氮的摩尔数是按空气中N2O2=7921的比例确定的，即602对应的N2应为： 67921=226 由反应方程式可知，爆炸前的分子数为29.6，爆炸后为31.6。 (2)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25。 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(4.8+O.00045t)41868J(kmol) H20的摩尔定容热容为(4.0+0.00215t)X41868J(kmol) CO。的摩尔定容热容为(9.0+0.00058t)X41868J(kmol) 燃烧产物的热容为： 22.6(4.8+0.00045t)4186.8J(kmol)=(454+0042t)1O3J(kmol) 5(40+000215t)4186，8J(kmol)=(837+0045t)1O3J(kmol) 4(90+000058t)41868J(kmol)=E(1507+00097t)1O3J(kmol) 燃烧产物的总热容为(688.4+0.0967t)103J(kmol)。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2.7lO6Jmol，即2.7109Jkmol。 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： 2.7XlO9=(688.4+0.0967t)103t 解上式得爆炸最高温度t=2826。 上面计算是将原始温度视为0。爆炸最高温度非常高，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： u2=Q+ul(2-6) 式中u2燃烧后产物的内能之总和； ul燃烧前物质的内能之总和; 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 =16.8 100100 氮79100-20 =63.2 100100 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lmol混合物中应有0.2mol一氧化碳、0.168mol氧和0.632mol氮。 从表26查得一氧化碳、氧、氮在300K时，其摩尔内能分别为6238.33Jmol、6238.33Jmol和6238.33Jmol，混合物的摩尔内能为： u1=(0.26238.33+0.1686238.33+0.6326238.33)J =6238.33J 一氧化碳的燃烧热为285624J，则0.2mol一氧化碳的燃烧热为： (O.2285624)J=57124.8J 燃烧后各生成物内能之和应为： u2=(6238.33+57124.8)J=63363.13J 从一氧化碳燃烧反应式2CO+O2=2CO2可以看出，0.2mol一氧化碳燃烧时生成0.2mol二氧化碳，消耗0.1mol氧。1mol混合物中，原有0.168mol氧，燃烧后应剩下0.168-0.1=O.068mol氧，氮的数量不发生变化，则燃烧产物的组成是：二氧化碳0.2mol，氧 0.068mol，氮0.632mol。 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105507.36Jmol、63220.68Jmol和59452.56Jmol，则燃烧产物的内能为： u2=(O2105507.36+0.0683220.68+0.63259452.56)J=629745J 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； u2”=(O2116893.04+0.06869500.88+0.63285314.08)J=69383.17J u2”值又大于u2值，因相差不太大，所以准确的爆炸温度可用内插法求得： 2600-2400 T=2400+（63363.1362974.5）K=（2400+12）K=2412K 69383.1762974.5 以摄氏温度表示为： t=(T273)=(2412273)=2139 3爆炸压力的计算 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=(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： Tn P=P0(28) T0m 例设Po=01MPaTo=27，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。 先按一氧化碳的燃烧反应式计算爆炸前后的气体摩尔数： 2CO+O2+3.76N2=2C02+3.76N2 由此可得出m=6.76，n=5.76，代入式(28)，得： 24115.760.1 P=0.69 3006.67 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： 100 L下=(29) 4.76(N-1)+1 4100 L上=(210) 4.76N+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+3.502=2C02+2H20 则N=7。 将N值分别代入式(29)及式(210)，得； 100100 L下=3.38% 4.76(7-1)+129.56 4100400 L上=10.7% 4.767+437.32 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=0.55X。(211) L上=4.8X。(212) 式中X。为可燃气体摩尔分数，也就是完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： 100 Lm=(213) V1V2V3 + L1L2L3 式中Lm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，； V1、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5，3.22，2.37和1.86，则天然气的爆炸下限为； 100 Lm=4.37% 801541 + 53.222.371.86 将各组分的爆炸上限代入式(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：CO58，C0219.4，N220.7，020.4，H21.5。 解将煤气中的可燃气体和惰性气体组合为两组： (1)C0和C02，即58(C0)+194(C02)=774(C0+C02) 其中，惰性气体可燃气体=C02C0=19458=O33 由图27中查得，L上=70，L下=17。 (2)N2和H2，即1.5(H2)+20.7(N2)=222(N2+H2) 其中，惰性气体可燃气体=N2H2=20.71.5=13.8 从图27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： 1 L下=20.3% 0.774/17+0.222/64 1 L上=71.5% 0.774/70+0.222/76 该煤气的爆炸极限为20.371.5。 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29所示。粉尘粒子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。 (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速率有很大的影响，大量可燃粉尘的试验研究证明，当容积O.04m3时，粉尘爆炸强度遵循如下规律： dP3_ Kst=()V(214) dt 式中Kst粉尘爆炸强度，lO5Pams； （dPdt）最大压力上升速率，105Pas； V容器体积，m3。 粉尘爆炸在管道中传播时碰到障碍片时，因湍流度的影响，使粉尘呈漩涡状态，使爆炸波阵面不断加速。当管道长度足够长时，甚至会转化为爆轰。主要粉尘爆炸特性参数见表27。 (三)控制产生粉尘爆炸的技术措施 控制产生粉尘爆炸的主要技术措施是缩小粉尘扩散范围，消除粉尘，控制火源，适当增湿。对于产生可燃粉尘的生产装置(如Al粉的粉碎等)，则可以进行惰化防护，即在生产装置中通入惰性气体，使实际氧含量比临界氧含量低20。在通入惰性气体时，必须注意把装置里的气体完全混合均匀。在生产过程中，要对惰性气体的气流、压力或对氧气浓度进行测试，应保证不超过临界氧含量。 还可以采用抑爆装置等技术措施。抑爆装置由爆炸压力探测器、信号放大器和抑爆剂发射器组成，如图210所示，其抑爆效果如图211所示。 【例题】对于I类场所，即炸药、起爆药、击发药、火工品贮存和黑火药制造加工、贮存的场所，_。() A应采用密闭防爆型、隔爆型、正压型或防爆充油型、本质安全型、增安型(仅限于灯类及控制按钮)电气设备。 B不应安装电气设备，特殊情况下仅允许安装电机的控制按钮及监视用工仪表，其选型应符合类危险场所电气设备的防爆要求 C应选用密封型、防水防尘型电气设备。 【答案】