安全培訓(xùn)資料：爆炸反應(yīng)濃度、爆炸溫度和壓力的計算

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)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=28．6％答：乙炔在氧氣中完全反應(yīng)的濃度為28．6％?？扇?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CαHβOγ表示，設(shè)燃燒1mol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：CαHβOγ+nO2→生成氣體如果把空氣中氧氣的濃度取為20．9％，則在空氣中可燃?xì)怏w完全反應(yīng)的濃度x(％)、一般可用下式表示：

1

20.9X=

————

=

-----———%

(2—4)、

n

0.209+n

1+———

0.209又設(shè)在氧氣中可燃?xì)怏w完全反應(yīng)的濃度為X0(％)、，即：

100X0=——%

（2—5）

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))、。CαHβOγ+nO2→αCO2+1/2βH2O式中2n=2α+1/2β-γ，對于石蠟烴β=2a+2。因此，2n=3a+1-γ。根據(jù)2n的數(shù)值，從表24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、CH3OH、C3H8

C6H6在空氣中和氧氣中完全反應(yīng)的濃度。[解](1)、公式法：

20.9X(H2)、=

——————%=29.48％

0.209+0.5

100X0(H2)、=

——%=

66.7％

1+n

20.9X(CH3OH)、=

——————%=12.23％

0.209+1.5

100X0(CH3OH)、=———%=

40％

1+1.5

20.9X(C3H8)、=

——————%=4.01％

0.209+5

100X0(C3H8)、=

——%=

16.7％

1+5

20.9

X(C6H6)、=——————%=2.71％

0.209+7.5

100X0(C6H6)、=———%=11.8％

1+7.5

(2)、查表法：根據(jù)可燃物分子式，用公式2n=2α+1/2β-γ，求出其2n值。由2n數(shù)值，直接從表2—4中分別查出它們在空氣(或氧)、中完全反應(yīng)的濃度。

由式2n=2α+1/2β-γ，依分子式分別求出2n值如下：

H2

2n=1

CH30H

2n=3

C3H8

2n=10

C6H6

2n=15由2n值直接從表2--4分別查出它們的X和Xo值：

X(H2)、=29.5％

X。(H2)、=66.7％

X(CH30H)、=12％

X。(CH30H)、=40％

X(C3H8)、=4％

X。(C3H8)、=16．7％

X(C6H6)、=2．7％

X。(C6H6)、=11.76％表2—4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+22.6N→4C02+5H2O+22.6N2式中，氮的摩爾數(shù)是按空氣中N2∶O2=79∶21的比例確定的，即602對應(yīng)的N2應(yīng)為：6×79／21=22．6由反應(yīng)方程式可知，爆炸前的分子數(shù)為29.6，爆炸后為31.6。(2)、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[(4.8+O.00045t)、×4186．8]J／(kmol·℃)、H20的摩爾定容熱容為[(4.0+0.00215t)、X4186．8]J／(kmol·℃)、

CO。的摩爾定容熱容為[(9.0+0.00058t)、X4186．8]J／(kmol·℃)、燃燒產(chǎn)物的熱容為：[22.6(4.8+0.00045t)、×4186.8]J／(kmol·℃)、=[(454+0．042t)、×1O3]J／(kmol·℃)、[5(4．0+0．00215t)、×4186，8]J／(kmol·℃)、=[(83．7+0．045t)、×1O3]J／(kmol·℃)、[4(9．0+0．00058t)、×4186．8]J／(kmol·℃)、=E(150．7+0．0097t)、×1O3]J／(kmol·℃)、

燃燒產(chǎn)物的總熱容為(688.4+0.0967t)、×103J／(kmol·℃)、。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2.7×lO6J／mol，即2.7×109J／kmol。因為爆炸速度極快，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：2.7XlO9=[(688.4+0.0967t)、×103]·t解上式得爆炸最高溫度t=2826℃。上面計算是將原始溫度視為0℃。爆炸最高溫度非常高，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：∑u2=∑Q+∑ul

(2--6)、式中∑u2——燃燒后產(chǎn)物的內(nèi)能之總和；∑ul——燃燒前物質(zhì)的內(nèi)能之總和;

∑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?？諝庵醒跽?1％，氮占79％，所以混合物中氧和氮分別占氧

21

100-20

———×———

=16.8％

100

100

氮

79

100-20

———×———

=63.2％

100

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lmol混合物中應(yīng)有0.2mol一氧化碳、0.168mol氧和0.632mol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6238.33J／mol、6238.33J／mol和6238.33J／mol，混合物的摩爾內(nèi)能為：∑u1=(0.2×6238.33+0.168×6238.33+0.632×6238.33)、J=6238.33J一氧化碳的燃燒熱為285624J，則0.2mol一氧化碳的燃燒熱為：

(O.2×285624)、J=57124.8J燃燒后各生成物內(nèi)能之和應(yīng)為：∑u2=(6238.33+57124.8)、J=63363.13J從一氧化碳燃燒反應(yīng)式2CO+O2=2CO2可以看出，0.2mol一氧化碳燃燒時生成0.2mol二氧化碳，消耗0.1mol氧。1mol混合物中，原有0.168mol氧，燃燒后應(yīng)剩下0.168-0.1=O.068mol氧，氮的數(shù)量不發(fā)生變化，則燃燒產(chǎn)物的組成是：二氧化碳0.2mol，氧0.068mol，氮0.632mol。假定爆炸溫度為2400K，由表2—6查得二氧化碳、氧和氨的摩爾內(nèi)能分別為105507.36J／mol、63220.68J／mol和59452.56J／mol，則燃燒產(chǎn)物的內(nèi)能為：∑u2’=(O．2×105507.36+0.068×3220.68+0.632×59452.56)、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；∑u2”=(O．2×116893.04+0.068×69500.88+0.632×85314.08)、J=69383.17J∑u2”值又大于∑u2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：

2600-2400

T=[2400+—————————（63363.13—62974.5）]K=（2400+12）K=2412K

69383.17—62974.5

以攝氏溫度表示為：t=(T—273)、℃=(2412—273)、℃=2139℃

3．爆炸壓力的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：P

T

n——=——×——

(2—7)、P0

T0

m

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：

Tn

P=

——×

P0

(2—8)、

T0m

[例]設(shè)Po=0．1MPa．To=27℃，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。先按一氧化碳的燃燒反應(yīng)式計算爆炸前后的氣體摩爾數(shù)：2CO+O2+3.76N2=2C02+3.76N2由此可得出m=6.76，n=5.76，代入式(2—8)、，得：

2411×5.76×0.1P=—————————=0.69

300×6.67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?，其?jīng)驗公式如下：

100L下=————————

(2—9)、

4.76(N-1)、+1

4×100L上=——————

(2—10)、

4.76N+4式中L下-——碳?xì)浠_物的爆炸下限；

L上——碳?xì)浠衔锏谋ㄉ舷?；N——每摩爾可燃?xì)怏w完全燃燒所需氧原子數(shù)。[例]試求乙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+3.502=2C02+2H20則N=7。將N值分別代入式(2—9)、及式(2—10)、，得；

100

100L下=——————=———=3.38%

4.76(7-1)、+1

29.56

4

×100

400L上=——————=———

=10.7%

4.76×7+4

37.32乙烷在空氣中的爆炸下限濃度為3．38％，爆炸上限濃度為10．7％。實(shí)驗測得乙烷的爆炸下限為3．0％，爆炸上限為12．5％，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=0.55X。

(2—11)、L上=4.8√X。

(2—12)、式中X。為可燃?xì)怏w摩爾分?jǐn)?shù)，也就是完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：

100

Lm=——————————

(2—13)、

V1

V2

V3

—+—+—+…

L1

L2

L3

式中

Lm——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，％；V1、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％，3.22％，2.37％和1.86％，則天然氣的爆炸下限為；

100

Lm=————————————————=4.37%

80

15

4

1

—

+———+———+———

5

3.22

2.37

1.86將各組分的爆炸上限代入式(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