燃气安全技术第3章可燃混合气体的爆炸过程2课件.ppt
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1、第三章第三章 可可燃混气的爆炸过程燃混气的爆炸过程 本章大纲3可燃混气的爆炸过程3.1可燃混气爆炸的基本知识3.1.1热爆炸理论3.1.1爆炸形态3.1.2燃烧速度3.1.3 理论氧含量与理论混合比3.1.4爆炸界限3.1.5烷烃碳氢化合物的爆炸界限规律3.1.6可燃气体的着火 3.2爆燃3.2.1 爆炸能量3.2.2 密闭空间的爆燃3.2.3敞开空间的爆燃3.2.4半敞开空间的峰值压力计算本章重点n爆炸的形态n燃气的基本性质与爆炸特性的关系n爆炸的能量计算nTNT当量计算n爆炸的峰值压力n敞开空间的爆炸压力计算 3可燃混气的爆炸过程可燃混气的爆炸过程3.1可燃混气爆炸的基本知识可燃混气爆炸的
2、基本知识3.1.1热爆炸理论热爆炸理论 热爆炸理论又称为自燃理论,是关于系统内的化学反应放热与散热之间的关系导致的热自动点火的理论。分析火焰的传播便可以用这一理论来加以研究。假定火焰由2个区域构成,如图。一个区为燃烧区,另一个区为传导区或预热区。火焰传播能维持的基本条件是从燃烧区向内预热的热流能使预热区内的未然气体达到着火温度。即:式中:m进入火焰的未燃气体质量流率,Kg/s;Cp未燃气体的比热,J/KgK;Ti着火温度,K;T0环境温度,K;Tf火焰温度,K;反应区的导热系数,J/ms;反应区厚度,m;) 12 (/ )()(0ifipTTTTCm如果是一维层流燃烧,则有:式中:气体密度,K
3、g/m3;A火焰的横截面积,m2;SL层流火焰传播速度,m/s。由此可以得到:此为根据热爆炸理论得到的关于火焰传播速度的数学表达式。)22( ASAumL)32()()(0TTCTTSipifL3.1.23.1.2爆炸形态爆炸形态 气体的燃烧形态可分为预混燃烧和扩散燃烧。l预混的可燃气体在大气中发火时,因为燃烧气体能自由的膨胀,火焰传播速度(燃烧速度)较慢,几乎不产生压力和爆炸声响,此情况可称为缓燃缓燃。l而当燃烧速度很快时,将可能产生压力波和爆炸声,这种情形称之为爆燃爆燃。l在密闭容器内的可燃混气一旦发火,火焰便在整个容器中迅速传播。使整个容器中充满高压气体,内部压力在短时间内急剧上升,形成
4、爆炸。而当其内部压力超过初压的10倍时,会产生爆轰会产生爆轰。l爆燃和爆轰的本质区别在于,爆燃为亚音速流动,爆轰为超音速流动。以下实验可以说明爆炸的形态变化:l一根装有可燃混合气体的管,一端或者两端敞开。在敞开端点火时就能传播燃烧波,此波保持一定常速度且不加速到爆轰波。这属于正常的火焰传播,也就是燃烧。l假如在密封端点燃可燃混合气体,那么就形成燃烧波,但该燃烧波能加速变成爆轰波。燃烧波加速产生爆轰波的机理如下:l可燃混合气体开始点燃时形成燃烧波,燃气缓燃所产生的燃烧产物的比容为未燃烧气的515倍,而这些已然气相当于一个燃气活塞,通过产生的压缩波,该燃气活塞给予火焰前面未然气一个沿管流向下游的速
5、度。l由于每个前面的压缩波必然能稍稍加热未燃混合气体,因此声速增加,而随后的这些波就追上最初的波,这种预热有进一步使火焰速度增加,于是也就进一步加速了未然混合气体,达到在未燃气中产生紊流的程度。该波足够强,以至于依靠本身的能量就能点燃可燃混合气体,激波后的反应则连续向前传递压缩波,此波能阻止激波 峰的衰减并得到稳定的爆轰波。l爆轰波中的火焰状态与提供所需维持能量的其他火焰状态没有什么不同。主要区别是爆轰波的波峰通过压缩(不通过热-热、热-质扩散)引起化学反应,并且本身能自动维持下去。另外的非本质差别就是,这种火焰能在高度压缩并已预混的气体中燃烧,而且燃烧极快。l激波能直接引起爆轰的开始,而其他
6、点火源(开式火源、正常火花等)就不能引起爆轰。在用其他点火源起爆时,最初传播的火焰受链载体的缓慢扩散或热传导的控制,而且仅在上述状态下会发生爆轰。另外,当一个平面激波穿过一些可爆的新鲜气层时,由于压缩作用,它就连续不断的引起化学反应,而在该激波后面的火焰区就像前面一样紧接着持续下去。l扩散燃烧是可燃气体流入大气后,在可燃气体与助燃气体的接触面上所发生的燃烧。可燃气从高压容器及其装置中泄漏喷出后产生的燃烧就是这种情况。其燃烧受可燃气体与空气或O2之间的混合扩散速度支配。混合扩散速度越大,或气体的紊流越强烈,速度也就越快。3.1.33.1.3燃烧速度燃烧速度n 燃烧速度指火焰垂直于燃烧焰面向未燃气
7、体方向的传播速度。在一定条件下,燃烧速度对于某种可燃气体是一定值。n 燃烧速度与可见的火焰速度。可见火焰速度是未燃气体的流动速度与燃烧速度的和。已燃烧的气体因高温而使其体积膨胀,故可见的火焰速度大都是呈加速状态的。同时,因未燃气体的流动速度是变化的,所以可见火焰速度不是定值。若在管道或风洞中,可见的火焰速度则很大,其值在每秒数米到每秒数百米之间,当火焰进一步加速而转为爆轰时,速度可高达火焰进一步加速而转为爆轰时,速度可高达1800-2000m/s。 表表3-1 各种可燃气体与空气(氧气)混合物的最大燃烧速度各种可燃气体与空气(氧气)混合物的最大燃烧速度燃气种类燃烧速度cm/s混合比%燃气种类燃
8、烧速度cm/s混合比%甲烷-空气338996氢-空气270430乙烷-空气401628乙炔-空气163102丙烷-空气390454苯-空气407334丁烷-空气379352二硫化碳-空气570265戊烷-空气385292甲醇-空气550123己烷-空气385251甲烷-氧气330330乙烯-空气386226丙烷-氧气360151一氧化碳-空气450510一氧化碳-氧气108770丙烯-空气68374氢-氧气8907003.1.4 理论氧含量与理论混合比理论氧含量与理论混合比l 理论氧含量指可燃气体完全燃烧所必需的氧气量。l 所谓完全燃烧,则是指可燃气体在燃烧完成时,分子中的碳完全生成二氧化碳,
9、氢则完全生成水。l即:2mol的H2完全燃烧则需要1mol的O2,若按质量计算,为1kg的H2需要7.94kg的O2.当助燃气体为空气时,由于空气中的氧为21%,其余为氮和稀有气体;那么1kg的H2完全燃烧则需要34.22kg的空气。HFOHmnCOOmnFOHCmn222 2)42(l 可燃气体在空气中完全燃烧时的燃气与空气之比,通常用常温、常压下空气中的可燃气体的体积分数表示,称为理论混合比或化学当量比,或完全燃烧组分。l可燃气体的分子式用CnHmOFk来表示,燃烧反应方程式可表示为: 式中:n、m、分别为可燃气体中的碳、氢、氧及卤族元素的原子数。于是,理论混合比Cst可按下式计算: (%
10、)42773. 41100kmnCst(3.4)3.1.5爆炸界限爆炸界限l 当空气中可燃气体的浓度比理论混合比低时,生成物虽然相同,但燃烧速度变慢,直至某一浓度以下火焰便不再传播。若可燃气体的浓度比理论混合比高,可燃组分则不能完全氧化而产生不完全燃烧,生成一氧化碳(CO),此时燃烧速度亦会减慢,直至在高于某一浓度时不能传播。像这样火焰不再传播的浓度界限,称之为爆炸极限或燃烧极限。 l 爆炸界限受到混合气体的温度、压力影响,不同的燃气种类具有不同的爆炸界限。一般常温、常压下不同可燃气体的爆炸界限可通过一定的方法测量出来 表表3-2 3-2 可燃气和可燃蒸汽的爆炸极限可燃气和可燃蒸汽的爆炸极限
11、(体积(体积% %) 燃气种类乙烷乙烯一氧化碳甲烷甲醇戊烷丙烷爆炸下限3.52.712.54.66.41.42.4爆炸上限15.1347414.2377.88.5燃气种类丙烯丁烷焦炉煤气发生炉煤气高炉煤气氢甲苯爆炸下限2.01.555.620.735.04.0 1.2爆炸上限11.18.530.474.074.076 7.0l对烷烃化合物的大量测试表明,其爆炸界限具有一定的规律性。表3.3为烷烃系列碳氢化合物的爆炸界限测试结果。l由表3.3可看出,烷烃化合物的爆炸界限。若用标准状态下每L空气中所含燃气的质量表示则除外,烷烃化合物的爆炸下限均在4550之间。l混合气体的爆炸下限可以通过一定的方法
12、计算,而上限的计算结果与实际情况偏差较大,但可作为判断其趋势的依据。实际上许多爆炸事故都不是在爆炸上限时发生的。l此外还发现如下规律:3.1.63.1.6烷烃碳氢化合物的爆炸界限规律烷烃碳氢化合物的爆炸界限规律 1 1)爆炸下限与燃烧热)爆炸下限与燃烧热 从表3.3的测试结果不仅可以看出,烷烃化合物的爆炸界限,而且爆炸下限的体积分数与燃气低热值的乘积也近似为一常数: L QL =const=K式中:L燃气的爆炸下限体积分数,% ; QL燃气的低热值,Kcal/mol ; 除甲烷外,K的值均在1000-1200之间。(3.5)(2)(2)爆炸界限与理论空气比爆炸界限与理论空气比 烷烃系列化合物的
13、爆炸下限L与理论混合比的Cst之比近似为一常数。 爆炸上限不遵循此规律,但Spakowski发现,爆炸上、下限之间存在如下关系:在发生冷焰的条件下,上述关系部适合,但可导出下式: CstL55.0LU5.6CstU8.425(3.6)(3.7)(3.8)表表3.3 烷烃化合物的爆炸界限烷烃化合物的爆炸界限3.1.7 3.1.7 可燃气体的着火可燃气体的着火n任何可燃混合气体即使在爆炸范围内,如果没有点火源,它也是不能产生爆炸的。可燃混合气体的着火需要一定的条件。1)着火温度)着火温度n热力学着火温度可以通过简单的同心管法测定。如图3.2。A是用SiO2制作的电加热器,内径12cm,长65cm,
14、支撑在钢管容器D中,上盖F上有热电偶H和气体出口M,J为玻璃孔,以便通过镜片观察内部情况。下盖F上有可燃气体入口K和空气入口L,从K进入的气体在硅管G中加热,从容器的中心部分喷出。硅管的内径为2mm,外径为4mm,其上端位于容器的中心位置,该容器在整个大气压下能正常工作。2)实际的测定方法)实际的测定方法1. 边使气体流入,边将温度上升到能产生火焰为止的方法;2. 在容器内温度达到某一定值后,使气体流入并测定其达到着火点所需时间的方法。l 在方法2中把着火0.5s所测定的着火温度称为瞬时着火温度。表3.4是利用这种方法测定的可燃气体在O2和空气中的着火温度值。l 由于着火温度随散热条件的不同而
15、改变,故表3.4中所侧得的数据并不能代表一些实际点火情况下的着火温度。l 例如,甲烷与空气在理论混合比时的气体自然着火温度为540,但当加热面比较小时,如在大气中加热气体管道使其着火时,温度必须在750以上,而用高温气体喷射使其着火时,则需要1000左右的温度。气体名称气体名称在氧气中在氧气中在空气中在空气中着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度着火温度H2625585630585CO687 680650693 683651CH4664556-700722650-750C2H6628520-630650520-630C3H8-490-570-C5H12355-600-C2H4
16、604510627513C3H6586-618-C2H2-428435429C6H6685-710-CS2132-156-H2S-227-364表表3-4 各种气体的着火温度各种气体的着火温度n导致可燃混合气体点燃的点火花,常见的有静电、压电陶瓷、电脉冲以及电气机械造成的火花。通常电脉冲、压电陶瓷被用于需要点燃的场合,而静电以及电气机械造成的火花引起的点燃大多出现在不需要点燃的非常场合,爆炸的发生经常是由这类火花造成的。n电火花之所以能点燃可燃混合气体,是因为两极间的可燃混合气体得到了点火花的能量而使其产生化学反应的结果。由此存在着点火所必须的能量界限,该能量称之为最小点火能。n最小点火能的大
17、小随可燃混合气体的种类、组成、压力以及温度到呢个因素变化而变化。图3.3和表3.5表示的是一些主要的可燃混合气体在常温常压下的最小点火能。3.1.8 3.1.8 点火能量点火能量图图3-33-3可燃气体浓度与最小点火能的关系可燃气体浓度与最小点火能的关系 级别气体种类燃气/空气 体积%最小点火能 毫焦耳10-5J级氢气2950019乙炔7730019乙烯625009610-4J级丙炔47901521,3-丁二烯3670170甲烷8500280丙烯4440282乙烷6000310丙烷4020310正丁烷3420380苯271055氨218007710-3J级异辛烷165135表表3-5 3-5
18、几种可燃混气的最小点火能几种可燃混气的最小点火能 最小点火能可通过如下的测定原理进行测定,如图3.4。图中A为可变蓄电池,B为装有爆炸性气体的容器,M为电压表,G为火花间隙。A的容量为C,当以高压电流向A充电,其电压值达到G间气体的绝缘破坏电压V1时,则在G间引起放电,若设放电的总量为E,点火的放电终结后A的电压为V2,那么:式中:C-电容,F V-电压,V E-能量,J)(2121VVCEl在测定时,使A的容量连续变化,依次递减或递增,便可找到引起B点着火的临界值,此时的E值便是最小点火能。l图3.5是最小点火能的测试装置。3.1.9 3.1.9 绝热压缩引起的点火绝热压缩引起的点火当气体被
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