消防燃燒學第四章

1、免責聲明本書是由杜文峰組織編寫的消防工程學，以下電子版內(nèi)容僅作為學習交流，嚴禁用于商業(yè)途徑。本人為西安科技大學消防工程專業(yè)學生，本專業(yè)消防燃燒學科目所選教材為這版的書籍，無奈本書早已絕版，我們從老師手上拿的掃描版的公式已基本看不清楚，嚴重影響我們專業(yè)課的學習。并且此書為消防工程研究生的專業(yè)課指定教材，因此本人花費一個月時間將此書整理修改為電子版，希望可以幫助所有消防工程的同學。由于本人能力有限，書上的圖表均使用的是截圖的，可能不是很清楚，還有難免會有錯誤，望廣大讀者海涵。西安科技大學消防工程專業(yè)2009級趙盼飛2012、5、28124第四章 可燃氣體的燃燒在石油化工企業(yè)生產(chǎn)中，會產(chǎn)生各種可燃氣

2、體，或使用可燃氣體作原料?？扇細怏w燃燒會引起爆炸，在特定條件下還會引起爆轟，對設備等造成嚴重破壞。因此研究氣體燃燒規(guī)律，對消防安全工作具有重要意義。第一節(jié)預混氣中火焰的傳播理論火焰(即燃燒波 在預混氣中傳播，從氣體動力學理論可以證明存在兩種傳播方式：正?；鹧?zhèn)鞑ズ捅Z。一、物理模型與雨果尼特方程設有一圓管，管中充滿靜止可燃混氣。若管中某處有一火源，使混氣著火，火焰就會在混氣中傳播。假定火焰從右向左傳播，如果混氣不是靜止的，而是自左向右流動，流速為u ，它剛好與火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮∠嗟龋较蛳喾?，那么火焰相對于管壁就會駐定下來，為分析簡單，只研究駐定情況，其物理模型見圖41。 圖中P 、T 、u 分

3、別表示混氣壓力、密度、溫度和速度。下標“?！北硎臼俏慈蓟鞖鈪?shù)；下標“P ”表示是已燃氣體參數(shù)。 上述物理模型中氣體各參數(shù)，在一定近似假定條件下，根據(jù)氣體動力學理論，它們應滿足以下方程式：q P P P P K K PP P P =- 11(21 (1 (41 22222P P P P u u m P P -=-=-=- (42 方程式(41 稱雨果尼特方程，式中K 是熱容比，它的物理意125 義是等壓熱容與等容熱容之比，即VP C C K =，對于空氣，K=1.4。q是單位質量混氣的反應熱。是單位體積混氣的密度，方程式(42 稱瑞利方程，式中m 是單位時間、單位截面積上的質量流量。將方程式(

4、42 改寫成如下形式11( (22PP P P u -= (43 因為聲速可寫成1(2=KP T M R K a S (44 將(43 除以(44 得1( 1(2-=P P P P KM (45 以上公式中R 為氣體常數(shù)，S M 為氣體摩爾質量；M 稱馬赫數(shù)，其物理意義是混氣速度u (它等于燃燒波速度，只是方向相反與當?shù)芈曀賏 之比，公式(45 稱為判別方程，用來判斷燃燒波的傳播速度是否大于聲速。如果給定混氣的初始狀態(tài)，即給定P ，則最終狀態(tài)，即燃燒后的P P 、P 必須同時滿足雨果尼特方程和瑞利方程?，F(xiàn)將雨果尼特方程和瑞利方程同時畫在1P 圖上，就得瑞利直線和雨果尼特曲線，瑞利直線斜率為2m

5、 -，見48。二、正?；鹧?zhèn)鞑ヅc爆轟通過圖42中初態(tài)點(P ， 分別作P P 、P 軸的平行線(即圖中互相垂直的兩條虛線 ，則將平面(P P ，P 分成四個區(qū)域(I、II 、III 、IV 。由于瑞利直線的斜率是負值，所以通過(P ， 點作的P P 軸和P 軸的兩平行線是瑞利直線的極限狀態(tài)，即瑞利直線不可能出現(xiàn)在II 、IV 區(qū)。又因為燃燒后的終態(tài)點(P P ，P 必須同時滿足雨果尼特方程和瑞利方程，也就是落在雨果尼特曲線126 和瑞利直線的交點上，因此過程的終態(tài)只可能發(fā)生在I 、III 區(qū)，不可能發(fā)生在II 、IV 區(qū)。(一 爆轟區(qū)I 區(qū)是爆轟區(qū)?？扇蓟鞖馓幵贗 區(qū)燃燒有以下三個顯著特點：(

6、1燃燒后氣體壓力要增加。在I 區(qū)雨果尼特曲線和瑞利直線的交點所對應的終態(tài)壓力P P 均比初態(tài)壓力P 大，這就是說燃燒后的氣體壓力要增加，即P P >P 。(2然燒后氣體密度要增加。在I 區(qū)雨果尼特曲線與瑞利直線的交點所對應的終態(tài)密度倒數(shù)小于初態(tài)密度倒數(shù)，即P <，也就是>P ，這意味著燃燒后氣體密度要增加。(3燃燒波以超音速進行傳播。在I 區(qū)由于P P >P ，一般5513=P P P ，公式(45 右邊的分子 1(-P P P 要比1大得多；又由于P <，分母 1(-P 要比1小得多。這樣，公式(45 中2KM 的值大于1，若取K=1.4，則2M >l，而

7、=a u M ，即>a u ?？梢娺@時燃燒波是以超音速在混氣中傳播的。127 (二 正?；鹧?zhèn)鞑?III 區(qū)是正常火焰?zhèn)鞑^(qū)。按照分析圖41中I 區(qū)的方法，對III 區(qū)進行分析，可以看出，可燃混氣處在區(qū)燃燒也有三個特點：(1燃燒后氣體壓力要減少或接近不變；(2燃燒后氣體密度要減少；(3燃燒波以亞音速(即小于音速 進行傳播。氣體中正常火焰?zhèn)鞑ズ捅Z間定性差別，見表1。 第二節(jié) 層流預混氣中正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣纫?、傳播機理(一 火焰前沿概念若在一長管中充滿均勻混氣，當用電火花或其它火源加熱某一局部混氣時，混氣的該局部就會著火并形成火餡，火焰產(chǎn)生的熱量會由于導熱作用而輸送給火焰周圍的冷混氣層，使冷

8、混氣層溫度升高，化學反應加速，并形成新的火焰。這樣使一層一層的新鮮混氣依次著火，也就是薄薄的化學反應區(qū)開始由引燃的地方向未燃混氣傳播，它使已燃區(qū)和未然區(qū)之間形成了明顯的分界線。稱這層薄薄的化學反應發(fā)光區(qū)為火焰前沿?；鹧媲把卦诠茏又械膫鞑ニ俣扔胠 S 表示，設管子是絕熱圓管，火焰前沿為一與管子軸線垂直的平面。為了研究方便，假定火焰前沿是駐定的，而混氣以層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 流入管內(nèi)。實驗證明，火焰前沿厚度是很薄的，只有十分之幾毫米甚至百分之幾毫米，在分析問題時經(jīng)常把它看成一幾何面。(二 火焰前沿的特點(1火焰前沿可以分成兩部分：預熱區(qū)和化學反應區(qū)?；鹧媲把亟佑|冷混氣的一面，有很大部分是用來預熱

9、冷混氣的，稱預熱區(qū)。128在預熱區(qū)中，流入的冷混氣溫度由T 被加熱到i T 溫度。由于預熱區(qū)中溫度較低，化學反應速度很小，可以忽略。預熱區(qū)的厚度用P 表示。緊接預熱區(qū)的是化學反應區(qū)，其厚度用C 表示，混氣經(jīng)過該區(qū)域后9598%的混氣發(fā)生反應。溫度從式升高到理論燃燒溫度m T ?；鹧媲把亟Y構及其溫度、濃度分布如圖43所示。圖43火焰前沿結構及其溫度濃度分布示意圖。 (2火焰前沿存在強烈的導熱和物質擴散。由于整個火焰前沿厚度很薄，在這樣薄的厚度上，溫度卻從初溫T 突然升高到理論燃燒溫度m T ，因而產(chǎn)生極大的溫度梯度，它將引起火焰前沿的熱量快速導向冷混氣。同時由于在火焰前沿冷混氣從初始濃度s f

10、突然變到零(冷混氣燒光 ，已燃氣從零突然升高而產(chǎn)生極大的濃度梯度，導致出現(xiàn)強烈的物質擴散。由此可見，在火焰中分子的遷移不僅僅是由于強迫流動的作用，而且還存在擴散的作用；熱量遷移不僅僅靠強迫對流和輻射，而且還有導熱，層流火焰中溫度及濃度分布的實驗數(shù)據(jù)證實了上述分析。(三 火焰?zhèn)鞑C理根據(jù)上面對層流火餡前沿的分析，目前火焰?zhèn)鞑C理有以下兩129 種理論：1. 火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚摕崂碚撜J為，火焰能在混氣中傳播是由于火焰中化學反應放出的熱量傳播到新鮮冷混氣中，使冷混氣溫度升高，化學反應加速的結果。2. 火焰?zhèn)鞑サ臄U散理論擴散理論認為凡是燃燒都屬于鏈式反應?；鹧婺茉谛迈r混氣中傳播是由于火焰中的自由基向新鮮

11、冷混氣中擴散，使新鮮冷混氣發(fā)生鏈鎖反應的結果。本節(jié)主要討論火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚摗?二、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣锐R蘭特簡化分析 (一 物理模型簡化分析的物理模型如圖44所示。在上述模型中，若由II 區(qū)導出的熱量能使未燃混氣的溫度上升到某個著火溫度i T ，則火焰就能保持穩(wěn)定傳播。設反應區(qū)中溫度分布為線型分布，即Ci m T T dx dT -= (46式中C 為反應區(qū)寬度。因此熱平衡方程式為130C im i P T T FK T T GC -=- ( (47式中G 是單位時間流經(jīng)管道某橫截面的質量流量，F(xiàn) 是管道的橫截面積，K 是導熱系數(shù)。(二 火焰?zhèn)鞑ニ俣纫驗?F S u F G l = (48所以 C

12、 im i P l T T K T T C S -=- ( (49或者 Ci i m C i P i m l T T T T a T T C T T K S ( ( ( (-=-= 式中PC K a =，稱導溫系數(shù)。 又因為 sl C l C W f S S = (410 式中C 是化學反應時間，是混氣初始質量濃度，s f 是混氣的初始質量相對濃度，S W 是可燃混氣反應速度。將公式(410 代入公式(49 得-=s i i m l f W T T T T a S S ( ( (411 公式(411 表明層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 與導溫系數(shù)a 及化學反應速度S W 的平方根成正比。這一結論已由實

13、驗證明是正確的。又因 m RT E n s n OS e f K W -=S ，P C K a = 所以 ( (22-=T T C e f K T T K S i P m RT En n OS i m l 據(jù)P 關系可得 1222-=n n n l P PS (412 式中n 是反應級數(shù)。公式(412 意味著對于二級反應，火焰?zhèn)鞑?31速度l S 將與壓力無關。大多數(shù)碳氫化合物與氧的反應，其反應級數(shù)接近2，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 與壓力關系不大。實驗也證明了這個結論。應該指出這一理論還不完善，例如未燃混氣初溫T 如果等于這里的著火溫度i T ，則火焰?zhèn)鞑ニ俣葹闊o窮大，這顯然是錯誤的。三、物理化

14、學參數(shù)對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?一 可燃氣與空氣比值的影響混氣中可燃氣與空氣比值不同，火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 不同。實驗發(fā)現(xiàn)混氣中可燃氣與空氣比值存在一個最佳比值，在此最佳比值條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 最快，否則會下降。理論上這個最佳比值應等于化學當量比，即空氣供給系數(shù)1=，但實際燃燒時并不等于1，而是有些差別，這與實際燃燒時情況很復雜，影響因素很多有關。氫氣和一氧化碳燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c可燃氣濃度關系見圖45和圖46。實驗還發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ヒ泊嬖谝粋€濃度極限問題。在混氣中如果可燃氣太少或太多，火焰均不能傳播?？扇細夂吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)才能傳播，這是用傳播法實驗測定可燃氣爆炸極限的依據(jù)。 (二 可燃氣分子

15、結構的影響對于飽和烴，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c分子中碳原子數(shù)無關，s S l 70；對于不飽和烴，碳原子數(shù)目增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆怠?32 碳原子數(shù)增加到4以后。火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆稻徛?。當碳原子?shù)等于或大于8以后，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔辉傧陆担妶D47。(三 初始壓力的影響由公式(412 可見，當反應級數(shù)n=2時，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力無關；反應級數(shù)n<2時，壓力增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?；反應級?shù)n>2時，壓力增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印Ｔ跓N類和氧氣與氮氣或氫氣或氦氣組成的混合氣體中，實驗發(fā)現(xiàn)當火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮?0cm/s時，壓力增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，此時反應級數(shù)小于2；火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0100cm/s時，壓

16、力增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔蛔?，此時反應級數(shù)等于2，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥?00cm/s時。壓力增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱藭r反應級數(shù)大于2。實驗結果見圖48。 133 (四 初始溫度的影響混氣初溫增加，混氣燃燒時火焰溫度m T 就越高，化學反應速度S W 會越快，火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮礁?。實驗結果表明，通常n l T S ，其中n=1.52。混氣初溫T 對火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 的影響見圖49和圖410。(五 火焰溫度的影響火焰溫度越高，離解反應越易進行，離解反應所釋放的自由基(H、O 、OH 就越多。這些自由基擴散到反應區(qū)前面的區(qū)域，增大了火焰的傳播速度。表42是CO 火焰中H 原子濃度H C 分布。134從上表

17、可以看出，在濕2O CO 火焰中(即有少量水蒸氣存在 實際局部H 原子濃度比相當于它局部溫度時的濃度至少要大一個數(shù)量級，這就說明了這些原子的確是從反應區(qū)擴散到反應區(qū)前面的區(qū)域。在2O CO 和22O H 火焰中H 原子所起的作用可以用下列反應過程來貓述，其中R 代表CO 或2H ，而P 代表2CO 或O H 2 。H H 22 在已燃氣體中引發(fā) H 擴散到未燃氣體中 M HO M O H +22OH P R HO +2 鏈傳遞 H P R OH +M H M H H +2 鏈終止鏈的終止反應在低壓時主要發(fā)生在容器壁上，在高壓時，主要發(fā)生在容器中氣相內(nèi)。圖411給出了火焰溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

18、；圖411給出了H 原子濃度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?35 (六 惰性氣體的影響惰性氣體加入量越多，火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 越小，見圖413。 (七 混氣性質的影響這里的混氣性質主要是指混氣的熱容P C 和導熱系數(shù)K 。由公式(49 可見2a S l ，而PC K a =，因此混氣導熱系數(shù)K 增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣萳 S 增加；熱容P C 增加，則l S 下降。這是滅火劑要具有低的導熱系數(shù)和高熱容的原因。低的導熱性可以延緩熱的傳遞，高的熱容使滅火劑能夠吸收大量的熱量，這都不利于火焰的傳播。 四、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定(一 氣體理想預混火焰的幾何性質在一定條件下，氣體理想預混火焰形狀呈三角形。現(xiàn)將火餡面1

19、36看成一幾何面，研究各參數(shù)關系(見圖414 。設A 點預混氣流速為1u ，把1u 分解成火焰面法向方向的分量n u 1和沿火焰面切向方向的分量t u 1，n u 1與1u 的夾角為1，則有以下幾何關系：111cos u u n = (413 公式(413 稱為火焰余弦定律?；痧W傳播速度是火焰沿火焰面垂直方面的運動速度，用l S 表示。火焰要在A 點穩(wěn)定，必須使n lu S 1=，于是有：11cos u S l = (414 (二 理想火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定一個理想的層流頂混火焰面可看作一正錐體，見圖4一15。由圖可得V A S A u l n =1則 AVS l = (415137式中：V 混氣

20、容積流速，s cm 2 ； A 火焰表面積，2cm；n u 1氣流速度在火焰面法向上的分量；l S 火焰?zhèn)鞑ニ俣?，s 。 (三 實際火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實際火焰面因為氣流速度沿管截面分布不均勻而呈曲面形狀，見圖416。圖中曲面上各點的n u 1，i 都不相同?？捎脭z影方法把火焰曲面攝影下來。測出各點的i 角。n u 1可用下式計算：1(2210R r u u i -= (416式中：10u 管中心氣流速度，cm/s；R 圓管半徑，cm ；i u 半徑為r 處的流速，cm/s。再應用余弦定律就可以計算出火焰?zhèn)鞑ニ俣萳i S 。138i i in li u u S cos = (417顯然，火焰曲面

21、上各點的li S 都不相同，而且管中心的li S 最大。實驗表明在r=0.9R處，測出的li S 接近于真實的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?。某些可燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫姳?3。 上面討論的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁腔净鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?。實際火焰?zhèn)鞑ニ俣韧∵€受其它一些因素影響，例如在一條一端封閉的長管中充滿可燃氣和空氣的混合氣體，在封閉端點火后，火焰沿管子向開口端傳播，其火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸鞣N物理化學因素影響以外，還受己燃氣體積膨脹時的推動作用，并且隨著燃燒的進行，這種推動作用越來越大，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃铀僭黾?。第三?jié)可燃氣體爆炸火焰在預混氣中正常傳播時，會產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣等燃燒產(chǎn)物，同時放出熱量，并使產(chǎn)物受熱、升溫、體積膨

22、脹。如果受熱膨脹的燃燒產(chǎn)物不能及時排走，則會產(chǎn)生爆炸。例如密閉容器中預混氣的燃燒，就會產(chǎn)生爆炸。在自由空間預混氣較多時，燃燒也會產(chǎn)生爆炸。但由于部分熱量向空間散失以及產(chǎn)物能有一定的膨脹，139 其爆炸壓力一般低于密閉容器中發(fā)生的爆炸。一、預混氣爆炸時的溫度計算在此以乙醚為例說明預混氣爆炸時的溫度計算。密閉容器中乙醚和空氣的預混氣的燃燒，由于燃燒速度快，熱量來不及散發(fā)，可近似看作絕熱等容燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量全部用來加熱燃燒產(chǎn)物。如果乙醚與空氣的比值為化學當量比，并已知燃燒熱、燃燒產(chǎn)物量及熱容，就可以計算出乙醚爆炸時的最高溫度。乙醚在空氣中的燃燒反應方程式為222221046. 22546. 22

23、6N O H CO N O O H C +=+由于空氣中氮氣與氧氣的體積比為79 ： 21，而氣體體積比等于摩爾數(shù)之比，所以1千摩爾的乙醚需6千摩爾的氧氣，必然伴隨有6. 2221796=千摩爾的氮氣。 從燃燒反應方程式可以看出，爆炸前未燃混氣總的千摩爾數(shù)為29.6，爆炸后已燃氣總的千摩爾數(shù)為31.6。一千摩爾乙醚燃燒會產(chǎn)生5千摩爾的水。乙醚的燃燒熱為 2720855(kJ/Kmol，其中部分熱量要用來使5千摩爾液體水變成蒸汽，即消耗于水的氣化。余下來的熱量才是使燃燒產(chǎn)物升溫的顯熱。水的氣化熱為43973.84(kJ/Kmol。所以有 2500986584. 439732. 2720855=-

24、=顯Q (kJ在恒容條件下，一定量的物質從1t 升高到2t 時平均每升高1溫度所需要的熱量，稱恒容平均熱容，或等容平均熱容，用V C 表示，單位為kJ/(kmol 。表44是某些氣體從0上升到t 時平均熱容的計算式。表44氣體恒容平均熱容計算式 140據(jù)表44可得燃燒產(chǎn)物中各組分溫度升高1所需熱量為 N 2： 22.6×(20.08+0.00288t=453.81+0.04249tH2O ： 5×(16.74+0.00900t=83.70+0.04500tCO2： 4×(37.66+0.00243t=150.64+0.00972t總的燃燒產(chǎn)物溫度升高1所需熱量為各

25、組分溫度升高1所需熱量之和，它等于688.15+0. 09721t根據(jù)熱量平衡原理，得下式：(68815+0.09721tt=2500986解此式得乙醚的爆炸最高溫度為09721. 02250098609721. 04 15. 688(15. 6882+-=t =2645.6 (在進行上面計算時，假定乙醚與空氣之比為當量比，如果乙醚與空氣之比大于或小于當量比，則計算出來的爆炸溫度均會小于2645. 6。另外計算時把混氣初溫看作0。實際的混氣初溫一般不等于0，而是等于室溫，但因為爆炸溫度很高，室溫與0之間的若干度數(shù)差。對計算結果無多大影響。二、可燃混氣爆炸壓力的計算這里爆炸壓力的計算是根據(jù)理想氣

26、體方程進行的。設爆炸前未燃混氣的千摩爾數(shù)、溫度、壓力和體積分別為n 、T 1、P 1、V 1，其中P 1一般為1.01325×105Pa ，爆炸后已燃氣體的千摩爾數(shù)、溫度、壓力和體積分別為n 2、T 2、P 2、V 2(=V1 。則有：P 1V 1=n1RT 1，P 2V 1=n2RT 2。兩式相除得112212T n T n P P = (4l8 將乙醚爆炸時的已知數(shù)據(jù)代入公式(418 得其爆炸壓力為：2736. 29 6. 2645273(6. 311001325. 152+=P (1056. 115Pa = 某些可燃物的爆炸壓力見表45。 141顯然，混氣混合比不同，其爆炸壓力

27、是不相同的，當量比時的爆炸壓力最大。汽油在不同濃度下的爆炸壓力見表46。 三、爆炸時的升壓速度上面計算出的爆炸壓力2P 是可燃氣在該條件下爆炸所能達到的最大壓力。從初始壓力上升到最大爆炸壓力，有一段很短的時間，在這段時間內(nèi)壓力是逐漸上升的。任一時刻的瞬時壓力P(在2P P <的范圍內(nèi) 可由下式計算： 11331P V t S P K P l d += (419 其中 K T n T n T n T n K d -= 1( (34112221122 (420 式中：P 瞬間壓力，Pa ；l S 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琧m/s；d K 系數(shù)；142 K 系數(shù)，4. 1=VP C C ； t 時間，s

28、 。甲烷爆炸時壓力與時間關系見圖417。爆炸最大壓力2P 減去初始壓力1P 除以到達最大壓力需要的時間，即為平均升壓速度：tP P v 12-= (Pa/s (421 例 41某容器中裝有甲烷和空氣預混氣，體積為9升，甲烷的體積濃度為9.5%，爆炸前初溫T 1=298K，初始壓力P 1=1.01325×105Pa ，爆炸時溫度T 2=2300K，最大爆炸壓力P 2=8.0756×105Pa ，甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閟 cm S l 7. 34=，取熱容比K=1.4，求甲烷爆炸時平均升壓速度。解 甲烷燃燒反應式為C H 4 +2O 2+7.5N 2 CO 2+2H2O+7.5N2

29、從反應式知： (5. 1021kmol n n =將已知數(shù)值代入公式(420 ，求出系數(shù)為d K86. 23454. 112985. 1023005. 102985. 1023005. 1014. 3342= - =d K又從又從公式(419 得31112 (ld S P K V P P t -= 將已知數(shù)值代入上式求出時間t 為(086. 07. 341001325. 186. 23459000 1001325. 1100756. 8(3555s t -= 將求出的時間代入公式(421 即可求出平均升壓速度為(1012. 82086. 01001325. 1100756. 8555s v =

30、-=143 顯然不同的可燃氣其最大爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ニ俣仁遣煌模竭_最大壓力所需的時間也不一樣。因此不同的可燃氣爆炸時升壓速度不同。例如氫氣爆炸時的升壓速度就比甲烷爆炸時快。另外容器體積不同，升壓速度也不一樣。體積越大，升壓速度越小，體積越小，升壓速度越快。某些可嫉氣的升壓速度見表47。 四、爆炸威力指數(shù)爆炸時對設備的破壞程度不僅與最大爆炸壓力有關，而且與升壓速度有關。爆炸威力指數(shù)=最大爆炸壓力平均升壓速度某些可燃氣的爆炸威力指數(shù)見表48。 五、爆炸總能量爆炸總能量可用下式計算：v Q E v = (kJ (422 式中：E 可燃氣爆炸總能量，kJ ；v Q 可燃氣熱值，3m kJ ；v 可

31、燃氣體積，3m 。六、爆炸參數(shù)測定144(一 實驗設備實驗設備由爆炸室、容器、噴管、點火器以及壓力測量系統(tǒng)組成，見圖418。爆炸室：體積為13m 的圓往形容器，高度：直徑1:1。容器：體積為5L ，并能用空氣加壓至2MPa 。容器附設一個19mm 的快速開啟閥，開閥10ms 內(nèi)可將內(nèi)含物注入爆炸室。 噴管：內(nèi)徑19mm 的半圓形管，管上有孔，孔徑為46mm，孔的總面積為2300mm 左右。電子點火器：點火器電壓變壓器約300 VA ，輸出為15kV ，電火花間距為35mm，位于試驗裝置的幾何中心。(二 測試參數(shù)(1爆炸壓力(m P ：某種可燃氣在某一濃度的最大爆炸壓力。(2爆炸最大壓力(m a

32、x P ：某種可燃氣在一個大濃度范圍內(nèi)的最大爆炸壓力。(3升壓速度mdt dP ：漸某種可燃氣在某一濃度時的升壓速度。145(4最大升壓速度max dt dP ：某種可燃氣在一個大的濃度范圍內(nèi)的最大升壓速度。(5爆炸指數(shù)m K ：3V dt dP K mm = (423 式中：V 爆炸容器體積。但V 不小于13m ，且長度與直徑之比不大于2。(5最大爆炸指數(shù)max Kmaxmax V dt dP K = (424 式中V 意義同上。(7擾動指數(shù)v t (點燃延遲 ：v t 為開始注入空氣可燃氣和啟動點火源之間的時間間隔。(8擾動指數(shù)u T ：（擾動）擾動max max (K K T u = (

33、425 (三 實驗方法(1靜態(tài)可燃氣爆炸試驗在爆炸室中預制一定濃度的可燃氣與空氣混合物，壓力為大氣壓，確保氣體混合均勻且處于靜態(tài)，打開壓力記錄儀，啟動點火源。測得m P 和mdt dP ，見圖419。max dt dP 可用t P 近似。 在一個大的氣體濃度范圍內(nèi)重復試驗，可測出m P 和mdt dP 最大值。(2動態(tài)可燃爆炸試驗在爆炸室中預制一定濃度的可燃氣空氣混合物，用空氣加壓5升容器至2MPa ，開啟容器閥門，打開壓力記錄儀，在某一點燃延遲條件下，點燃擾動可燃氣空氣混合物(延遲時間越長，混合物擾146動程度越低 。如上可測得m P 和mdt dP 。 第四節(jié) 可燃氣體的爆炸極限一、可燃氣

34、爆炸極限概念可燃氣與空氣組成的混合氣體遇火源能否發(fā)生爆炸，與混合氣體中可燃氣濃度有關?？扇細鉂舛仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)，才會發(fā)生爆炸，例如氫氣與空氣組成的混合氣體，根據(jù)實驗，當氫氣在混氣中的濃度為4.1%74%范圍內(nèi). 混合氣遇火源才會發(fā)生爆炸。氫氣濃度低于4.1%的混合氣因氫氣濃度太低不會發(fā)生爆炸；氫氣濃度高于74%的混氣遇火源也不會發(fā)生爆炸，因為混氣中氫氣濃度太高，氧氣濃度太低?？扇細馀c空氣組成的混合氣體遇火源能發(fā)生爆炸的可燃氣最低濃度(用體積百分數(shù)表示 ，稱爆炸下限；可燃氣最高濃度稱爆炸上限。二、爆炸極限的測定爆炸極限的測定一般采用傳播法，測定裝置見圖420。其主要部件是長130cm ，內(nèi)徑為5c

35、m 的硬質玻璃爆炸管，點火電極為l.5mm 直徑的鎢棒。 147測試原理：首先將爆炸管內(nèi)抽成真空，然后充以一定濃度的可燃氣與空氣的混合氣體，用循環(huán)泵使可燃氣混合均勻，再用電極點火，觀察火焰?zhèn)鞑デ闆r。火餡傳播的最低濃度或最高濃度(可燃氣的體積百分含量 ，即為該可燃氣的爆炸下限或爆炸上限。三、計算爆炸極限的經(jīng)驗公式可燃混氣的爆炸極限可以用實驗方法測定，也可以用經(jīng)驗公式進行近似計算。(一 通過1摩爾可燃氣在燃燒反應中所需氧原子的摩爾數(shù)(N計算有機可燃氣爆炸極限(體積百分數(shù)計算公式為：%1 1(76. 4100+-=N x 下 (426%476. 4400+=N x 上 式中：下x 有機可燃氣的爆炸下

36、限，% ； 上x 有機可燃氣的爆炸上限，% ；N 1摩爾可燃氣體完全燃燒所需的氧原子摩爾數(shù)。148(二 利用可燃氣在空氣中完全燃燒時的化學計量濃度0x 計算有機物爆炸極限 計算公式為055. 0x x =下08. 4x x =上 (427式中： 下x 有機可燃氣的爆炸下限，%；上x 有機可燃氣的爆炸上限，%；0x 有機可燃氣在空氣中完全燃燒時的化學計量濃度，%。 這個公式適用于以飽和烴為主的有機可燃氣體，但不適用于無機可燃氣體。設有機可燃氣A 在氧氣中完全燃燒的化學計量濃度為Z%，同時1摩爾A 在氧氣中完全燃燒需要n 摩爾氧氣。根據(jù)反應式 A+nO2 生成物則有 %1100%nZ +=有機可燃

37、氣A 在空氣中完全燃燒時，除n 摩爾的氧氣以外，還伴有3.76n 摩爾的氮氣，于是有A+nO2+3.76nN2 生成物所以有機可燃氣A 在空氣中的化學計量濃度為%76. 41100%0nx +=(三 通過燃燒熱計算有機可燃氣的爆炸下限當爆炸下限用體積百分數(shù)表示時，大多數(shù)同系列可燃氣，特別是烷烴類可燃氣，它們的爆炸下限和燃燒熱(摩爾燃燒熱 的乘積近似為常數(shù)，即x C Q x Q x = 2211式中：1x ，2x 第1、2種可燃氣的爆炸下限，%；1Q ，1Q 第1、2種可燃氣的燃燒熱(摩爾燃燒熱 。x C 常數(shù)。對于烷烴類，kJ C x 43；對于醇類、醚類、烯烴類，kJ C x 5. 41。1

38、49烷烴類氣體的爆炸下限和燃燒熱的數(shù)據(jù)見表49。 若已知兩種可燃氣的燃燒熱和其中一種可燃氣的爆炸下限，則可利用公式(425 求出另一種可燃氣的爆炸下限。 (四 多種可燃氣組成的混合物爆炸極限的計算 計算公式為%100332211ii N P N P N P N P x += (429 式中：x 混合可燃氣的爆炸極限； 1P 、2P 、3P 、i P 混合氣中各組分的體積百分數(shù)，%； 1N 、2N 、3N i N 混合氣中各組分的爆炸極限，%。 公式(429 稱萊夏特爾公式。運用公式計算時，將各組分可燃氣爆炸下限代入公式計算出來的結果為可燃混氣的爆炸下限；將各組分可燃氣爆炸上限代入公式計算出來的

39、結果為可燃混氣的爆炸上限。爆炸下限時萊夏特爾公式的證明如下。證明時的指導思想： 將可燃混合氣體中的各種可燃氣與空氣組成一組，其組成符合爆炸下限時的比例，可燃混氣與空氣組成的總的混合氣體為各組之和。 (l設各種可燃氣體積為： 1V 、2V 、3V i V 。則總的可燃氣體積為i V V V V V += 321150(2設各組可燃氣一空氣在爆炸下限時的體積為：1V '、2V '、3V 'i V '。則總的可燃混氣一空氣體積為 i V V V V V '+'+'+'=' 321 (3設各種可燃氣爆炸下限為：下1x 、下2x 、

40、下3x 下i x 。則100111'=V V x 下，100222'=V V x 下，100333'=V V x 下，100'=i ii V V x 下。于是100111='下x V V ，100222='下x V V ，100333='下x V V ，100='下i i i x V V 。 (4 設總的可燃混氣的爆炸下限為下x 。則有%100'=V Vx 下%100100100100100332211+=下下下下i ix V x V x V x V V%100100100100100332211+=下下下下i i x V

41、 x V x V x V(5 設10011=V V P ，10022=V V P ，10033=VV P ，100=VV P ii 。則有%100332211下下下下下i i x x x x x += 證畢同理可證萊夏特爾公式在上限時的正確性。151在應用萊夏特爾公式時，應注意組成混合氣體的各組分之間不得發(fā)生化學反應。對含有氫乙炔，氫硫化氫，硫化氫甲烷及二硫化碳等的混合氣體其計算結果誤差比較大，應用萊夏特爾公式計算得到的爆炸下限比較接近實際，爆炸上限偏差較大。 (五 含有惰性氣體的可燃混氣爆炸極限的計算方法如果可燃混氣中含有情性氣體，如N 2，CO 2等，計算其爆炸極限時，仍然利用萊夏特爾公式

42、，但需將每種惰性氣體與一種可燃氣編為一組，將該組氣體看成一種可燃氣體成分，該組在混合氣體中的體積百分含量為該組中惰性氣體和可燃氣體體積百分含量之和。而該組氣體的爆炸極限可先列出該組惰性氣體與可燃氣的組合比值，再從圖421和422查出，然后代入萊夏特爾公式進行計算。 例42求煤氣的爆炸極限。煤氣組成為：H 212.4%；CO 27.3%；CO 26.2%；O 20%；CH 40.7%；N 253.4%。 解 將煤氣中惰性氣休與可燃氣體編為二組：CO 2與H 2為一組； N 2與CO 為第二組，CH 4單獨作為第三組。顯然CO 2與H 2組在整個混合氣體中的體積百分數(shù)應等于6.2%+12.4%=1

43、8.6%；N 2與CO 組氣體在整個混合氣體中的體積百分數(shù)為27.3%十53.4%=80.7%； CH4則為0.7%。各組中惰性氣體與可燃氣的組合比為1525. 0%4. 12%2. 622=H CO ，96. 1%3. 27%4. 532=CO N 從圖41查得：H 2+CO2組的怪炸極限為：6.0%70%； CO+N2組的爆炸極限為：40%73%；而CH 4的爆炸極限為：5%15%。它可直接采用CH 4在空氣中的爆炸極限，將以上數(shù)據(jù)代入公式(429 即可計算出該煤氣的爆炸極限%19%0. 57. 0407. 800. 66. 18100=+=下x %53. 70%157. 030. 77.

44、 80706. 18100=+=上x153 某些混合氣體的爆炸極限見表410。 四、影響爆炸極限的因素不同的可燃氣，因其性質不同，它們的爆炸極限不同。同種可燃氣，也會因外界條件的變化而具有不同的爆炸極限。(一 火源能量的影響引燃混氣的火源能量越大，可燃混氣的爆炸極限越寬，爆炸危險性越大。圖423是甲烷空氣混合氣體的爆炸極限與火源能量關系。 (二 初始壓力的影響混氣初始壓力增加，爆炸范圍增大，爆炸危險性增加。不同壓力下甲烷、氫氣和乙烯的爆炸極限變化見圖424、圖425和圖426。值得注意，干燥的一氧化碳和空氣的混合氣體，壓力上升時它們的爆炸范圍縮小，見圖427。154(三 初溫對爆炸極限的影響混

45、氣初溫越高，混氣爆炸范圍越寬，爆炸危險性越大。不同溫度下甲烷、氫氣和一氧化碳爆炸極限的變化見圖428、圖429和圖430 。溫度對爆炸下限的影響還可以用下面的經(jīng)驗公式進行計算。設t 時的爆炸下限為t x ，25時爆炸下限為25x ，則有2525(000721. 01x t x t -= (430 (四惰性氣體影響在可燃混氣中加入惰性氣體，會使爆炸范圍變窄。一般上限降 低，下限變化比較復雜。惰性氣體對甲烷爆炸極限的影響見圖431。當加入的惰性氣體超過一定量以后，任何比例的混氣均不能發(fā)生爆炸， 從圖431可以看出惰性氣體對甲烷爆炸極限影響大小依次為CCl 4>CO2>H2O(蒸汽>

46、;N2>He>Ar。當惰性氣體加入量CCl 4%=13%，CO 2%=24%，H 2O(蒸汽%=28%，N 2%=38%，He%=39%，Ar%=52%時，甲烷不會發(fā)生爆炸。(五 爆炸極限圖1551. 三角坐標表示方法可燃氣與氧氣組成的爆炸系統(tǒng)稱二元系統(tǒng)?？扇細馀c空氣組成的爆炸系統(tǒng)也可以看作二元系統(tǒng)，這是因為空氣組成的氧、氮比值是一定的，可以把空氣看成一種組分。若氧、氮比值不符合空氣組成，則系統(tǒng)為三元系統(tǒng)。可爆炸的三元混氣系統(tǒng)一般有以下幾種情況：(1由一種可燃氣F ，一種助燃氣S 和一種惰性氣體I 組成；(2由兩種可燃氣F 1，F(xiàn) 2，同一種助燃氣體S 組成；(3由一種可燃氣F ，

47、同二種助燃氣體S 1，S 2組成。研究的比較多的是第一種情況。三元系統(tǒng)可以用三角坐標表示系統(tǒng)的組成，如圖432所示。 三角形的每條邊作為一種組分的坐標；三個頂點各表示一種純組分；三角形每邊上任一點(如N ，表示由該邊連接的兩種組分(F，I 組成，其濃度比值等于線段長度之比，即FNIN I F %；三角形內(nèi)任一點對表示三元系統(tǒng)的任一組成，三成分的濃度之和為100。 對點的每一組分(如F 在系統(tǒng)中的濃度可通過M 點作F 頂點對邊的平行線，與F 組分坐標線的交點A 表示。根據(jù)同樣方法可求出S 組分、I 組分的濃度；在三角形頂點F 與對邊任一點P 連線上的某一點B ，其I 組分與S 組分濃度之比等于交

48、點P 所截兩線段長度之156 比，即PIPS S I %。 2. 爆炸極限圖在I 組分與S 組分之比等于PS 比PI 的系統(tǒng)中，通過試驗可求出可燃氣F 在該系統(tǒng)中的爆炸下限和爆炸上限，它們均落在FP 線段上。改變I 組分和S 組分之比，通過試驗也可求出可燃氣F 在新的系統(tǒng)中的爆炸下限和爆炸上限。將所有的爆炸下限點和爆炸上限點分別連接起來，就得到爆炸極限圖。某些三元系統(tǒng)的爆炸極限圖見圖433、圖434、圖435、圖436、和圖437。 157 利用爆炸極限圖可以很方便求出可燃氣在其它兩組分處于任158意比值中的爆炸極限。例如求甲烷在空氣中的爆炸極限，可以從圖434中三角形甲烷頂點向對邊氧坐標線2

49、1處引直線(稱空氣組分線 。直線與爆炸三角區(qū)的交點即為甲烷在空氣中的爆炸下限和爆炸上限。六、爆炸極限的實用意義掌握了爆炸極限，就能正確評定可燃氣在生產(chǎn)、儲運過程中的火災危險程度，為建筑、化工和其它防火提供依據(jù)。(一 評定氣體和液體蒸氣的火災危險性大小可燃氣體、液體蒸氣的爆炸下限愈低、爆炸范圍越大，火災危險性就越大。例如乙炔的爆炸極限為2.5%82%；氫的爆炸極限 為4%75%；氨的爆炸極限為15%27%。它們的火災危險性大小為：乙炔>氫>氨。(二 評定氣體生產(chǎn)、貯存的火險類別生產(chǎn)、貯存時，爆炸下限<10%的可燃氣體的火險類別為甲類，應選用隔爆型電氣設備。爆炸下限10%的可燃氣

50、體的火險類別為乙類，可選用防爆型電氣設備。根據(jù)可燃氣的火險類別確定建筑物耐火等級、最多允許層數(shù)、 防火分區(qū)、最大允許占地面積以及廠房安全疏散距離等。(三 確定安全生產(chǎn)操作規(guī)程采用可燃氣體或蒸氣氧化法生產(chǎn)產(chǎn)品時，應使可燃氣(蒸氣 與氧化劑的配比處于爆炸極限以外(如氨氧化制硝酸 ；若處于或接近爆炸極限進行生產(chǎn)時，應充惰性氣體稀釋和保護，如甲醇氧化制甲醛。在生產(chǎn)和使用可燃氣體和液體的場所，還應根據(jù)它們的爆炸危險性，采取諸如密閉設備、加強通風、定期檢測、開停車前后吹洗置換設備系統(tǒng)、建立檢修動火制度等防火安全措施。發(fā)生火災時。應視可燃氣體、液體的爆炸危險性大小，采取冷卻降溫、減速降壓、排空泄料、停車停泵

51、、關閉閥門以及使用相應滅火劑等措施，阻止火勢擴大，防止爆炸事故發(fā)生。各種主要可燃氣在空氣中的爆炸極限見附錄表1。七、 分解爆炸(一 分解爆炸條件分解反應一般是吸熱反應，但有些分解反應則是放熱反應，例159如乙炔、乙烯、氧化乙烯、四氟乙烯、丙烯、臭氧、NO 和NO 2等。這些氣體在一定壓力下遇到火源會發(fā)生分解反應，同時放出熱量。分解產(chǎn)物由于升溫，體積膨脹會發(fā)生爆炸。在發(fā)生爆炸前，系統(tǒng)所處初始壓力越高，越易發(fā)生分解爆炸，所需的火花能量越小。當初始壓力小到一定值時，系統(tǒng)便不發(fā)生分解爆炸，這個壓力稱分解爆炸臨界壓力，用0P 表示。分解爆炸的條件是：(l分解反應是放熱反應；(2存在火源或熱源；(3系統(tǒng)初

52、始壓力大于分解爆炸臨界壓力0P 。由于分解爆炸不需要氧氣，其爆炸上限為100%。(二 能分解爆炸的幾種氣體1. 乙炔乙炔分解反應為mol kJ H HS C H C 936. 225 (222=-+= 上述反應因放熱量大，若無熱損失，火焰溫度可達3100，其壓力可達初壓的910倍(在密閉容器中 ；如果形成爆轟，其壓力可達初壓的2050倍。而且初始壓力越高，越易發(fā)生爆炸，需要的火花能最越小。當乙炔初壓超過51025Pa 時，應加入氮氣等惰性氣體保護。乙炔的分解爆炸的臨界壓力為5104. 1Pa 。但應注意若火源能量很大時，乙炔低于此臨界壓力也會發(fā)生分解爆炸。乙炔系列的化合物，如乙烯基乙炔、甲基乙

53、炔，都具有分解爆炸的性質。特別是乙快銅、乙炔銀等只需輕微撞擊就會發(fā)生爆炸，所以盛乙炔的容器不能用銅或含銅多的合金制造；用乙炔焊接時不能使用銀焊料。2. 氧化乙烯氧化乙烯在常溫常壓下遇火源按下述反應式發(fā)生分解爆炸： m o l kJ H COCH O H C 35. 134442=-+ mol kJ H H CO H C O H C 01. 3322224242=-+按式分解的氧化乙烯占69%；按式分解的氧化乙烯占31%。分解爆炸的臨界壓力為5104. 0Pa 。在100的密閉容器中，其分解爆炸壓力不會達到初壓的10倍。1603. 乙烯乙烯在510325. 101Pa 以下時，若無巨大火花能量，

54、不會發(fā)生分解爆炸。乙烯在20，51078. 59Pa 的壓力下，用1g 硝化纖維作火源，會發(fā)生以下分解反應：22244217. 002. 095. 002. 1H H C CH C H C +mol kJ H 34. 121=-爆炸壓力約為初壓的6.3倍。4. 氮氧化物N 2O 、NO 、NO 2 的分解反應分別為： mol kJ H O N O N 59. 812125222=-+ mol kJ H O N NO 37. 9021212522=-+ mol kJ H O N NO 66. 372125222=-+N2O 的分解爆炸臨界壓力在Pa 51053. 2以上。NO 的爆炸臨界壓力在P

55、a 5102. 15以上，爆炸壓力為初壓的10倍以上。第五節(jié) 爆轟根據(jù)雨果尼特方程，預混氣的燃燒有可能發(fā)生爆轟。由于爆轟時壓力非常高，爆轟波傳播速度非?？欤瑫挂话阈箟貉b置失去作用，因此爆轟對設備的破壞特別嚴重。一、爆轟的發(fā)生爆轟實際上是一種激。這種激波由預混氣的燃燒而產(chǎn)生，并靠燃燒時釋放的化學反應能量維持。(一 激波的產(chǎn)生現(xiàn)有一根等截面的圓管，管內(nèi)起初是靜止的氣體，參數(shù)為、P 、T ，管左端有一活塞。設從時刻零起，活塞由靜止連續(xù)向右作加速運動，對管內(nèi)氣體進行壓縮，推動管內(nèi)氣體向右運動，見圖438。這時，緊靠活塞面的氣體壓強將逐漸升高。壓強的升高對氣體來說是一種壓縮擾動，它將以壓縮波的形式向前傳播，如A A 所示。波面A A 所經(jīng)之處，氣體的壓強、密度以及溫度都有一個161微小的提高。A A 是第一道