第二节 爆炸极限

   

  一、定义和单位

    可燃气体、可燃蒸气或可燃粉尘与空气构成的混合物，并不是在任何混合比例之下都有着火和爆炸的危险，而是必须在一定的浓度比例范围内混合才能发生燃爆。而且混合的比例不同，其爆炸的危险程度亦不相同。例如，由一氧化碳与空气构成的混合物在火源作用下的燃爆实验情况如下：
CO在混合气中所占体积(％)         燃爆情况     

   ＜12.5                                  不燃不爆

    12．5                                  轻度燃

    ＞12．5～＜30                    燃爆逐渐加强
     ＝30                                   燃爆最强烈
    ＞30～＜80                        燃爆逐渐减弱
     80                                      轻度燃爆
     ＞80                                   不燃不爆

   上面所列的混合比例及其相对应的燃爆情况，清楚地说明可燃性混合物有一个发生燃烧和爆炸的浓度范围，亦即有一个最低浓度和最高浓度，混合物中的可燃物只有在这两个浓度之间，才会有燃爆危险。
     可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合形成预混气，遇着火源才会发生爆炸．这个浓度范围称为爆炸极限(或爆炸浓度极限)。可燃物质的爆炸极限受诸多因素的影响。如可燃气体的爆炸极限受温度、压力、氧含量、能量等影响，可燃粉尘的爆炸极限受分散度、湿度、温度和惰性粉尘等影响（详见第三章)。
   可燃气体和蒸气爆炸极限的单位，是以其在混合物中所占体积的百分比(％)来表示的，如上面所列一氧化碳与空气混合物的爆炸极限为12.5—80％。可燃粉尘的爆炸极限是以在混合物中所占体积的质量比(g／m3)来表示的，例如铝粉的爆炸极限为40g/m3。我们将可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，如上述的12.5％和80％。这两者有的亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限和高于爆炸上限浓度时，既不爆炸，也不着火。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，火焰不能蔓延的缘故。也正因为如此，可燃性混合物处于爆炸下限和爆炸上限时，爆炸所产生的压力不大，温度不高，爆炸威力也小。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度(表中的30％)时，具有最大的爆炸威力。反应当量浓度可根据燃烧反应式计算出来。
   可燃性混合物的爆炸极限范围越宽，其爆炸危险性越大，这是因为爆炸极限越宽则出现爆炸条件的机会就多。爆炸下限越低，少量可燃物(如可燃气体积有泄漏)就会形成爆炸条件；爆炸上限越高，则有少量空气渗入容器，就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件。生产过程中，应根据各种可燃物所具有爆炸极限的不同特点采取严防跑、冒、滴、漏和严格限制外部空气渗入容器与管道内等安全措施。应当指出，可燃性混合物的浓度高于爆炸上限时，虽然不会着火和爆炸，但当它从容器或管道里逸出，重新接触空气时却能燃烧，因此仍有发生着火的危险。

    二、爆炸极限理论

      燃烧与爆炸从化学反应角度上来看是没有什么区别的，当混合气燃烧时，其波面上的反应如下式：
A十B—→C十D十Q 式中A、B——反应物；C、D——生成物；Q——反应热(燃烧热)，千卡／克分子。A、B、C、D不一定是稳定分子，也可以是原子或自由基。反应前后的能量变化如图4—8示

    图中I是反应物(A+B)，当给予活化能E千卡／克分子，成为活化状态Ⅱ，反应结果变为生成物Ⅲ(C+D)，此时放出能量为W，则反应热Q＝W-E，或W＝Q+E。
    如将燃烧波的基本反应浓度作为n(每单位体积内发生反应的分子数)，则单位体积放出能量为nw。如燃烧波连续不断，放出的能量作为新反应中的活化能，将α作为活化概率(α≤1)，则第二批单位体积内得到活化的基本反应数为：αnW／E。第二批再放出能量为αnW² ／E。
    前后两批分子反应时放出的能量为β=(αnW ²／E)/nW=αW/E=α(1+Q/E)
      现在探讨β的数值。当β＜1时，表示反应系统在受能源激发后，放热越来越少，也就是说，引起反应的分子数越来越少，最后反应停止，不能形成燃烧或爆炸。当β＝1时，表示反应系统在受能源激发后能均衡放热，有一定数量的分子在持续进行反应。这就是决定爆炸极限的条件(严格说稍微超过一些才能爆炸)。当β＞1时，表示放热量越来越大，反应分子越来越多，形成爆炸。
在爆炸极限时，β＝1 则 α(1+Q/E) =1
设爆炸下限为L_下(容积百分比)与反应概率α成正比， 即α＝KL_下
式中K为比例常数。因此， 1/L_下 =K (1+Q/E)
当Q与E相比较大时，上式可近似写做1/L_下＝KQ/E 上式进—步表明爆炸下限L_下与燃烧热Q和活化能E间的相互关系。如各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出： L_下 ·Q＝常数
    这说明爆炸下限L下与可燃性气体的燃烧热Q近于成反比，就是说可燃性气体分子燃烧热越大，爆炸下限就越低。从烷烃L下·Q值接近1091常数可证明上面的结论是正确的。表4—19所示是可燃物质的燃烧热和爆炸极限的乘积(表中数据引自“化学工业安全技术与防火技术，И·C·罗依金”)。

表4－19可燃物质的燃烧热与爆炸极限的乘积      

物质名称	燃烧热，千卡／克分子Q	爆炸下限与燃烧热乘积，L下·Q	爆炸上限与燃烧热的乘积L上·Q	物质名称	燃烧热，千卡／克分子Q	爆炸下限与燃烧热乘积，L下·Q	爆炸上限与燃烧热的乘积L上·Q
甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 异丁烷 戊烷 异戊烷 己烷 庚烷 辛烷 壬烷 癸烷 乙烯 丙烯 丁烯 戊烯 乙炔 苯 甲苯 二甲苯 环丙烷 环己烷 甲基环己烷 松节油 醋酸甲酯 醋酸乙醋 醋酸丙醋 异醋酸丙脂 酣酸丁酯 醋酸戊酯 甲醇 乙醇 丙醇 异丙醇 丁醇 异丁醇	91 336 484 634 630 774 780 915 1064 1207 1353 1494 310 460 611 750 301 750 892 1038 465 875 1017 1385 349 494 633 638 768 969 149 295 438 432 585 585	955 1081 1147 1179 1134 1083 1030 1144 1064 1147 1123 1001 852 920 1039 1200 753 2058 1133 1038 1116 1164 1170 1108 1100 1077 1298 1276  1306 1066 1001 968 1117 1145 995 983	2865 4183 4598 5332 5292 6037 — 6313 6384 — — — 8869 5106 4499 — 24080 5063 6913 6228 4836 7306 — — 5444 5633 — — — — 5438 5590 — — — —	丙烯醇 戊醇 异戊醇 乙醛 巴豆醛 糠醛 三聚乙醛 甲乙醚 二乙醚 二乙烯醚 丙酮 丁酮 2-戊酮 2-己酮 氰酸 醋酸 甲酸甲酯 甲酸乙酯 氢 一氧化碳 氨 吡啶 硝酸乙酯 亚硝酸乙酯 环氧乙烷 二硫化碳 硫化氢 氧硫化碳 氯甲烷 氯乙烷 二氯乙烯 溴甲烷 溴乙烷	410 730 711 257 510 538 788 462 598 569 395 540 682 831 154 188 212 359 57 67 76 652 296 306 281 246 122 130 153 295 224 173 319	98 4 869 853 1020 1081 1130 1024 922 1106 967 1007 977 1057 1014 862 761 1071 987 228 837 1140 1179 1125 921 843 307 525 1547 1262 1180 2173 2336 2152	— — — 14649 7905 — — 4656 21827 15363 5056 5130 5558 6648 6160 — 4812 5887 4229 4971 2052 8085 — 15300 22480 12300 5551 3706 2861 4366 2867 2508 3588

       对其他可燃性气体，亦有此常数，如醇类、醚类、酮类、烯烃类等接近于1000，而氯代和溴代烷烃，L_下·Q值较高，这是由于引入了卤素原子，因而大大提高了爆炸下限的缘故。利用爆炸下限与燃烧热乘积成常数的关系，可以来推算同系物的爆炸下限。但不能应用于氢、乙炔、二硫化碳等可燃气体。 如以毫克／升为单位来表示爆炸下限，即L_下 (毫克／升)。
    前式 l／L_下＝K（1十Q／E），式中L_下为以容积百分数表示的爆炸下限。在20℃时两者关系：   L_下(毫克／升)=(L_下/100)*(1000M/22.4)*(273/(273+20))=L_下*M/2.4   式中M：可燃气体分子量。   将L_下毫克／升)代入上式，则：1／L_下 (毫克／升)＝2．4KQ／ME
      若设Q/E＝q，q相当于每1克可燃性气体的燃烧热。 如令2．4K＝K’则上式为：
1/L_下(毫克／升) = K’q/E         此式与前式(4—5)完全同形，如以碳氢化合物为例，Q随碳氢链长短而异，但每1克物质的燃烧热q则大致相同。q＝10～11千卡／克，几乎为一常数。
    由于碳氢化合物的活化能E几乎相同，则以毫克／升为单位表示的爆炸下限L_下值基本相等。L_下(毫克／升)＝40～45毫克／升＝40～45克／米³ 。
因此，L_下(毫克／升)·q＝400—500千卡／米³ 。

  三、爆炸极限的影响因素:原始温度

      爆炸极限不是一个固定值，它随着各种因素而变化。但如掌握了外界条件变化对爆炸极限的影响，则在一定条件下所测得的爆炸极限，仍有其普遍的参考价值。
影响爆炸极限的主要因素有以下几点。
    1．原始温度
    爆炸性混合物的原始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高。因为系统温度升高，其分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统，所以温度升高使爆炸危险性增大。温度对甲烷爆炸上、下限的影响实验结果，如图4—9示

     从图中可以看出，甲烷的爆炸范围随温度的升高而扩大，其变化接近直线。
     关于温度对爆炸极限的影响还可以参见表4—20、表4—21。

混合物温度，℃	爆炸下限，％	爆炸上限，％
0 50 100	4．2 4．0 3．2	8．0 9．8 10．0

                       表4—21煤气温度与爆炸极限的关系

混合物温度，℃	爆炸下限，％	爆炸上限，％
20 100 200 300 400 500 609 700	6．00 5．45 5．05 4．40 4．00 3．65 3．35 3．25	13．4 13．5 13．8 14．25 14．70 15．35 16．40 18．75

   三、爆炸极限的影响因素:原始压力

      2．原始压力
    混合物的原始压力对爆炸极限有很大的影响，在增压的情况下，其爆炸极限的变化也很复杂。一般压力增大，爆炸极限扩大。这是因为系统压力增高．其分子间距更为接近，碰撞几率增高，因此使燃烧的最初反应和反应的进行更为容易。
    压力降低，则爆炸极限范围缩小。待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸。因此，于密闭容器内进行减压(负压)操作对安全生产有利。详见图4—10和图4—11所示。图4—12为不同压力下乙烷、丙烷、丁烷、戊烷的爆炸极限。从图4—l0、4—11和表4—22中可以看出，压力对爆炸上限的影响十分显著，而对下限影响较小。

表4—22压力对甲烷爆炸极限的影响

原始压力，公斤／厘米2	爆炸下限，％	爆炸上限，％
1 10 50 125	5．6 5．9 5．4 5．7	14．3 17．2 29．4 45．7

   三 爆炸极限的影响因素:惰性介质及杂质

       3．惰性介质及杂质
     若混合物中所含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸。

    如在甲烷的混合物中加入惰性气体(氮、二氧化碳，水蒸气、氩、氢、四氯化碳等)，对爆炸极限的影响，从图4—13中可以看出，随着混合物中惰性气体量的增加，对上限的影响较之对下限的影响更为显著。因为惰性气体浓度加大，表示氧的浓度相对减少，而在上限中氧的浓度本来已经很小，故惰性气体浓度稍为增加一点，即产生很大影响，而使爆炸上限剧烈下降。
   对于有气体参与的反应，杂质也有很大的影响。例如，如果没有水，干燥的氯没有氧化的性能，干燥的空气也完全不能氧化钠或磷。干燥的氢和氧的混合物在较高的温度下不会产生爆炸。痕量的水会急剧加速臭氧、氯氧化物等物质的分解。少量的硫化氢会大大降低水煤气和混合物的燃点，并因此促使其爆炸。

    三、爆炸极限的影响因素:容器

     4．容器
   充装容器的材质、尺寸等，对物质爆炸极限均有影响。实验证明，容器管子直径越小，爆炸极限范围越小。同一可燃物质，管径越小，其火焰蔓延速度亦越小。当管径(或火焰通道)小到一定程度时，火焰即不能通过。这一间距称最大灭火间距，亦称临界直径。当管径小于最大灭火间距，火焰因不能通过而被熄灭。
    容器大小对爆炸极限的影响也可以从器壁效应得到解释。燃烧是由自由基产生一系列连锁反应的结果，只有当新生自由基大于消失的自由基时，燃烧才能继续。但随着管道直径(尺寸)的减小，自由基与管道壁的碰撞几率相应增大。当尺寸减少到一定程度时，即因自由基(与器壁碰撞)消毁大于自由基产生，燃烧反应便不能继续近行。
   关于材料的影响，例如氢和氟在玻璃器皿中混合，甚至放在液态空气温度下于黑暗中也会发生爆炸。而在银制器皿中，一般温度下才能发生反应。

  三、爆炸极限的影响因素:能源

      5．能源
    火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响。如甲烷对电压为100伏，电流强度为1安培的电火花，无论在何种比例下都不爆炸；如电流强度为2安时其爆炸极限为5．9—13．6％；3安时为5．85—14．8％。因此各种爆炸混合物都有一个最低引爆能量(一般在接近于化学理论量时出现)。部分气体的最低引爆能量见表4—23。

表4—23部分气体最低引爆能量(毫焦)

名称	浓度，％	最低引爆能量	名称	浓度，％	最低引爆能量
CS2 H2   C2H2   C2H4   环氧乙烷 甲基乙炔 丁二烯 氧化丙烯	6．52 29．2   7．73   6．52   7．72 4．97 3．67 4．97	0．015 0．019 0．0013· 0．02 0．0003· 0．016 0．001· 0．105 9．152 0．17 0．190	甲醇 甲烷 丙烯 乙烷   乙醛 丁烷 苯 氨 丙酮 甲苯	12．24 8．5 4．44 4．02   7．72 3．42 2．71 21．8 4．87 2．27	0．215 0．28 0．282 0．03l 0．93l· 0．376 0．38 0．55 0．77 1．15 2．50

注：带·者为可燃气体、蒸气与氧混合时的最低引爆能量，其余为与空气混合时的最低引爆能量。

     除上述因素外，光对爆炸极限也有影响。众所周知，在黑暗中氢与氯的反应十分缓慢，但在强光照射下则发生连锁反应导致爆炸。又如甲烷与氯的混合物，在黑暗中长时间内不发生反应，但在日光照射下，便会引起激烈的反应，如果两种气体的比例适当则会发生爆炸。另外，表面活性物质对某些介质也有影响，如在球形器皿内于530℃时，氢与氧完全无反应，但是向器皿中插入石英、玻璃、铜或铁棒时，则发生爆炸。

 

四、爆炸极限的计算

四、爆炸极限的计算:爆炸反应当量浓度的计算

（一） 爆炸反应当量浓度的计算    爆炸性混合物中的可燃物质和助燃物质的浓度比例为恰好能发生完全的化合反应时，爆炸所析出的热量最多，所产生的压力也最大，实际的反应当量浓度稍高于计算的反应当量浓度。当混合物中可燃物质超过化学反应当量浓度时，空气就会不足，可燃物质就不能全部燃尽，于是混合物在爆炸时所产生的热量和压力就会随着可燃物质在混合物中浓度的增加而减小；如果可燃物质在混合物中的浓度增加到爆炸上限，那么其爆炸现象与在爆炸下限时所产生的现象大致相同。因此，我们所说的可燃物质的化学当量浓度也就是理论上完全燃烧时在混合物中该可燃物质的含量。    根据化学反应计算可燃气体或蒸气的反应当量浓度。举例如下： [例1] 求一氧化碳在空气中的反应当量浓度。 [解] 写出一氧化碳在空气中燃烧的反应式： 2CO+O2+3．76N2—→2CO2+3．76N 2 根据反应式得知，参加反应的物质的总体积为2+1+3．76＝6.76。若以6．76这个总体积为100，则2个体积的一氧化碳在总体积中所占比例为 x=(2/6.76)×100％＝29．6％ 答：一氧化碳在空气中的反应当量浓度为29．6％． [例2] 求乙炔在氧气中的反应当量浓度． [解] 写出乙炔在氧气中的燃烧反应式： 2C2H2十5O2＝4CO2十2H2 O十Q根据反应式得，参加反应物质的总体积为2十5＝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 X0=2/7×100％＝28．6％ 答：乙炔在氧气中的反应当量浓度为28．6%     可燃气体或蒸气的化学当量浓度，也可用以下方法计算：可燃气体或蒸气分子式一般用CαHβOγ表示，设燃烧1mol气体所必需的氧摩尔数为n，则燃烧反应式可写成：CαHβOγ十nO2 —→生成气体 如果把空气中氧气浓度取为20．9％，则在空气中可燃气体的化学当量浓度x(%)一般可用下式表示： x=[1/(1+n/0.209)]×100%=[20.9/(0.209+n)]%                                  (2—1) 又设在氧气中可燃气体的化学当量浓度为x0(%)即：x0＝[100/(1+n)]%    (2—2) 上式表示出x与x0,与n或2n之间的关系。 在完全燃烧的情况下，燃烧反应式可写成如下形式：CαHβOγ+nO2—→CO2+1/2βH2 O 式中：2n＝2α+1/2β—γ                                                                        (2—3) 对于石蜡烃β＝2α+2 因此，2n＝3α+1-γ                                                                              (2—4) 根据2n的数值，从表2—1中可直接查出可燃气体或蒸气在空气(或氧气)中的化学当量浓度． [例3] 试分别求H2、CH3OH、C3H8、C6H6 在空气中和氧气中的化学当量浓度． [解] (1)公式法。(x与x0计算结果如下：)      (2)查表法．     根据其分子式用公式2n＝2α十1/2β—γ，求出其2n值，由2n数值，直接从表2—1中分别查出它们在空气(或氧)中的化学当量浓度。 由公式2n＝2α+1/2 ·β-γ，依分子式分别求出2n值如下： H2             2n=1 CH3OH     2n=3 C3H8        2n＝10 C6H6        2n＝25        由2n值直接从表2—1中分别查出它们的x和x0值： 表2—1可燃气体(蒸气)在空气中和氢气中的化学当量浓度 氧分子数 氧原子数 2n 化学当量浓度(%) 在空气中 x=20.9/(0.209+n) 在氧气中 x0＝100/(1+n) 物质举例 1 0.5 1.0 1.5 2.0 45.5 29.5 11.8 17.3 80.0 66.7 57.2 50.0 氢气、一氧化碳 2 2.5 3.0 3.5 4.0 14.3 12.2 10.7 9.5 44.5 40.0 36.4 33.3 甲醇、二硫化碳 甲烷、醋酸 3 4.5 5.0 5.5 6.0 8.5 7.7 7.1 6.5 30.8 28.6 26.7 25.0 乙炔、乙醛 乙烷、乙酸 4 6.5 7.0 7.5 8.0 6.1 5.6 5.3 5.0 23.5 22.2 21.1 20.0 氯乙烷 乙烷、甲酸乙酯 丙酮 5 8.5 9.0 9.5 10.0 4.7 4.5 4.2 4.0 19.0 18.2 17.4 16.7 丙烯、丙醇 丙烷、乙酸乙酯 6 10.5 11.0 11.5 12.0 3.82 3.70 3.50 3.36 16.0 15.4 14.8 14.3 丁酮 乙醚、丁烯、丁醇 7 12.5 13.0 13.5 14.0 3.23 3.10 3.00 2.89 13.8 13.3 12.9 12.5 丁烷、甲酸丁酯 二氯苯 8 14.5 15.0 15.5 16.0 2.80 2.70 2.62 2.54 12.12 11.76 11.42 11.10 溴苯、氯苯 苯、戊醇 戊烷、乙酸丁酯 9 16.5 17.0 17.5 18.0 2.47 2.39 2.33 2.26 10.81 10.52 10.26 10.0 苯甲醇、甲酚 环己烷、庚烷 10 18.5 19.0 19.5 20.0 2.20 2.15 2.10 2.05 9.76 9.52 9.30 9.09 甲苯胺 己烷、丙酸丁酯 甲基环己醇 x，H2=29.5％             x0，H2＝80％ x，CH3OH＝12％          x0，CH3OH＝40％ x，C3H8=4％             x0，C3H8=16.7％ x，C6H6=2.7％           x0，C6H6=11.76%

四、爆炸极限的计算：爆炸上限和爆炸下限的计算

(二)爆炸上限和爆炸下限的计算     各种可燃气体和可燃液体蒸气的爆炸极限可用专门仪器测定出来，或用经验公式计算。可燃气体和蒸气的爆炸极限有多种计算方法，主要有根据完全燃烧反应所需的氧原子数，化学计量浓度，燃烧热和散热等计算出近似值，还有其它的一些计算方法。爆炸极限的计算值与实验值一般有些出入，其原因是在计算式中只考虑到混合物的组成，而无法考虑其它一系列因素的影响，但仍不失其参考价值。     1. 根据完全燃烧反应所需的氧原子数计算有机物的爆炸下限和上限，其经验公式如下。计算爆炸上限、下限公式为（N=2n） ： 式中：L下——可燃性混合物爆炸下限，％； L上——可燃性混合物爆炸上限，％； N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数； M——可燃气体的摩尔质量，g／mol；Vt——可燃气体摩尔体积，L／mol。 [例4] 试求乙烷在空气中的爆炸浓度下限和上限。 [解] 写出乙烷的燃烧反应式： 2C2H6十7O2 ==== 4CO2十6H2O 求N值。 N＝7 将N值分别代入式(2—5)与式(2—7) 答：乙烷的爆炸下限为3.38％， 爆炸上限为10.7％， 爆炸极限为 3.38~10.7％． 某些有机物爆炸极限计算值与实验值的比较见表2—2，从表中所列数值可以看出，实验所得的爆炸上限值比计算值大。 2．爆炸性混合气体完全燃烧时的化学当量浓度，可以用来确定有机物的爆炸下限和上限。计算公式如下： L下=0.55x                              (2—9) L上=4.8(x)(1/2)                       (2—10) [例5] 试求甲烷在空气中的爆炸浓度下限和上限． [解] 列出燃烧反应式： CH4十2O2—→CO2十2H2O 从表2—1中查出在空气中的化学当量浓度计算公式为：x=20.9/(0.209+n) 将1mol甲烷完全燃烧所需的氧摩尔数n=2代入（2—9）和式（2—10），得： 答：甲烷的爆炸极限为5.2~14.7% 。 此计算公式用于链烷烃类，其计算值与实验值比较，误差不超过10％。例如甲烷爆炸极限的实验值为5．0～15％，与计算值非常接近（见表2—2）。但用以估算H2、C2H2以及含N2、CO2等可燃气体时，出入较大，不可应用。 3．利用有机可燃气体(蒸气)分子中的碳原子数计算其爆炸上限（北川徹三法）。由于同系物有机可燃气体(蒸气)分子中碳原子数α与其爆炸上限L上所需的氧原子数2n之间有直线关系，因此，有机物爆炸上限值可直接由表2—3所列的氧原子数2n计算式，求得2n值，再从表2—1中找到相对应数值。 表2—2石蜡烃的化学当量浓度及其爆炸极限计算值与实验值的比较  序号 可燃气体 分子式 α 化学当量浓度 爆炸下限  X1(%) 爆炸上限  X2(%) 2n0 X0(%) 计算值 实验值 计算值 2n 实验值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 异丁烷 戊烷 异戊烷 二甲基丙烷 巳烷 二甲基丁烷 甲基戊烷 庚烷 二甲基戊烷 辛烷 异辛烷 壬烷 四甲基戊烷 二乙基戊烷 癸烷 CH4 C2H6 C3H8 C4Hl0 C4H10 C5H12 C5H12 C5H12 C6H14 C6H14 C6H14 C7H16 C7H16 C8H18 C8H18 C9H20 C9H20 C9H20 C10H22 1 2 3 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 8 8 9 9 9 10 4 7 10 13 13 16 16 16 19 19 19 22 22 25 25 28 28 28 31 9.5 5.6 4.0 3.1 3.1 2.5 2.5 2.5 2.2 2.2 2.2 1.9 1.9 1.6 1.6 1.5 1.5 1.5 1.3 5.2 3.4 2.2 1.7 1.7 1.4 1.4 1.4 1.2 1.2 1.2 1.0 1.0 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.7 5.0 3.O. 2.1 1.5 1.3 1.4 1.3   1.2     1.03   0.95   0.85     0.75 14.3 10.7 9.5 8.5 8.5 7.7 7.7 7.7 7.1 7.1 7.1 6.5 6.5 6.1 6.1 5.6 5.6 5.6 5.3 2.5 3.0 4.0 4.5 4.5 5.0 5.0 5.0 5.5 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.0 7.5 15.0 12.5 9.5 8.5 8.4 8.0 7.6 7.5 7.5 7.0 7.0 6.7 6.7 6.0 6.0 5.6 4.9 5.7 5.4                         表2-3 有机可燃气体（蒸气）爆炸上限相对应的氧原子2n的计算式 气体介质 2n的计算式 有机可燃气体类别 在空气中 2n = 0.5α+ 2.5 石蜡烃(α≥3) 2n = 0.5α+ 2 石蜡烃（α=1.2） 烯烃 脂环烃 芳香烃 酮类 氯代烃(α≥3) 2n = 0.5α+ 1.5 氯代烃(α＝1.2) 胺类 2n =α 有机酸类 2n = α- 0.5 脂类 醇类 在氢气中 2n = 0.5α 石蜡烃 2n = 0.5α- 0.5 烯烃 脂环烃   注：α—有机物分子中碳原子数。 [例6] 试求甲苯在空气中的爆炸上限。 [解] 甲苯的分子式C6H5CH3，其中碳原子数α＝7，属于芳香烃。     从表2—3中查得与爆炸上限相对应的氧原于数2n的计算式： 2n＝0．5α十2将碳原子数代入，2n＝0.5×7十2＝5．5 再从表2—1中查得与2n相对应的爆炸上限为7．1％。 答：甲苯在空气中的爆炸上限为7．1％。．     表2—2列出计算值与实验值的比较。从表中所列数值可以看出，石蜡烃的爆炸下限与上限的计算值与实验值非常接近。      4．根据含碳原子数计算爆炸极限。脂肪族饱和碳氢化合物爆炸极限的计算，也可以根据脂肪族碳氢化合物含碳原子数nc、与其爆炸上限L上（%）、与爆炸下限L下（%）的关系式求得：1/L下＝0.1347×nc＋0.04343 1/L上＝0.01337×nc＋0.05151 例如：C2H6的爆炸极限为：L下＝1/（0.1347×2＋0.04343）＝3.20 L上＝1/（0.01337×2＋0.05151）＝12.78         5．用爆炸下限计算爆炸上限。大气压下、25℃时，用容积表示的上限和下限之间有如下的关系 L上25＝7.1（L下25）0.56 在爆炸上限附近不伴有冷火焰时，此式的简单关系式： L上25＝6.5（L下25）0.5 代入L下＝0.55X中，则：L上25≈4.8（X）0.5         6．根据闪点计算爆炸极限。因为闪点表示可燃液体表面蒸汽与空气构成一种能引起瞬时燃烧的混合物的最低浓度，而爆炸下限则表示该混合物能着火时的最低蒸汽浓度，所以易燃液体的闪点和爆炸极限可相互推算。根据闪点，查该温度（闪点）下易燃液体的饱和蒸汽压进行求取。 L下＝100×P闪/P总 式中：L下——爆炸下限，% P闪——闪点下液体的饱和蒸汽压，毫米汞柱； P总——混合气体总压力，一般取760毫米汞柱。 例如苯闪点是-14℃，查得-14℃时苯的饱和蒸汽压力为11毫米汞柱，则苯的爆炸下限为 L下＝100×11/760＝1.45% 实验数据为1.4%

三、爆炸极限的计算：  

  （三）复杂组成的可燃性气体混合物的爆炸极限

      复杂组成可燃性气体混合物爆炸极限，可根据各组分已知的爆炸极限求之。该计算适于各组分间不反应，且燃烧时无催化作用的可燃气体混合物。
计算公式如下：
 

式中 L_m ——混合气体的爆炸极限，(体积)％；
L_l、L₂、L₃ ——形成混合气体的各单独组分的爆炸极限，(体积)％；
V_l、V₂、V₃——各单独组分在混合气体中的浓度，(体积)％，V₁+V₂+V₃ +……＝100。
其原理如下，从下式：

当K₁＝K₂＝……K_m，Q₁＝Q₂＝……Q_m、E₁＝E₂＝……E_m，
即 反应概率、燃烧热、活化能部很接近时，

     上式适用于计算活化能E、克分子燃烧热Q、反应概率K相接近的可燃性气体或蒸气爆炸性混合物的爆炸极限。故在计算碳氢化合物混合气体时比较准确，对其他大多数可燃性气体混合物的计算，会出现一些偏差，不过也有一定的参考价值。
    如，某天然气其组成如下：甲烷80％(下限＝5．0)，乙烷15％(下限＝3．22)，丙烷4％(下限＝2．87)，丁烷1％(下限＝1.86)，则天然气的爆炸极限为

    此式也可以用来计算混合气的爆炸上限，L_l、L₂、L₃ ，则为各组分的爆炸上限，当混合气百分比变化时，要重新计算。
    可燃气体氢气、一氧化碳、甲烷混合气爆炸极限的实测值和计算值列于下表中。
                              表4—28  氢、一氧化碳、甲烷混合气的爆炸极限

   （四）．可燃气体和惰性气体混合物爆炸极限计算

      在可燃气体混合物中混入氮、二氧化碳等惰性气体而计算其爆炸极限时，可将惰性气体和可燃气体混合分成若干组，每一组由一种可燃组分与另一种非可燃组分组成，然后分别进行计算。
例如进入净化系统的烟气中，除含有CO、H₂等可燃气体之外，往往还会有相当比例的CO₂、N₂ 等非燃性气体成分，这种含有数种非燃成分的可燃气体，其爆炸极限的计算方法如下：
    首先将烟气组分分为若干个混合组分。根据各混合组分的混合比(即非燃气体：可燃气体体积)，由图4—14可查得各混合组分的爆炸极限(上限或下限)，然后再代入公式计算烟气的爆炸极限
例1．某回收煤气的平均成分为：
组分气体名称    CO   CO₂   N₂  O₂    H ₂
体积百分比，％   58  19.4  20.7   0.4  1.5
试求此煤气的爆炸极限。
解 组分先将可燃组分与非燃组分合成下列两组混合组分。
①CO及CO₂       58(CO)十19．4(CO₂)＝77.4(CO十CO₂）其中CO₂/CO=19.4/58=0.33
查图4—14得L_上＝70％，L_下 ＝17％

②N₂及H₂组分1．5(H₂)+20．7(N₂)＝22．2(H₂+N₂)其中N₂/H₂=20.7/1.5=13.8 查图4—14得L_上＝76％，L_下 ＝64％将上述计算所得的L_上和L_下代入公式即可求出煤气的爆炸极限。

上述算法，当O₂含量不大时误差不大。较为准确的算法，应如下：
先将组分调整为
组分气体名称      CO     CO₂                    N₂                 (4N₂+O₂)         H₂
体积百分比，％   58      19.4   20.7－4×0.4＝19.1    4×0.4+0.4＝2.0    1.5
再按上法计算
① CO及CO₂组分58(CO)+19.4(CO₂)＝77.4(CO+CO₂)
其中CO₂/CO=19.4/58=0.33 查图得 L_上＝70.0％    L_下＝17．0％
② N₂及H₂组分
19.1(N₂)+1.5(H₂)＝20.6(N₂+H₂)
其中N₂/H₂=19.1/1.5=12.7查图得 L_上＝76.0％   L_下＝60.0％
代入公式，得此煤气的爆炸极限为

对于有惰性气体混入的多组分可燃气体混合物的爆炸极限，也可以用下式进行计算。

式中 Lm——含有惰性气体的爆炸极限，％；
L_f——混合物中可燃部分的爆炸极限，％；
B——惰性气体台量，％。
由于不同的惰性气体其阻燃或阻爆能力不一，因而计算结果不如上法准确。但仍不失其参考价值。
例2．某干馏气体的成分为：可燃气体17%： CnHm 1%        CH₂ 3%        CO 3%           H₂ 10% 惰性气体83%： CO₂ 18%       N₂ 65%
其中，可燃部分(100％)中：

混合物可燃部分的爆炸下限、混合物的爆炸下限、混合物可燃部分的爆炸上限分别为：

其他可燃气体，例如乙烷、丙烷、丁烷和二氧化碳、氮混合物的爆炸极限的计算可用图4—15进行。

   （五）高压下的爆炸极限

      火焰传播不但与物质的化学性质有关，而且依赖于周围条件。压力直接影响反应速度，热损失对压力又有影响，所以此时影响因素之间变得很复杂。目前还不能用一般定量关系来说明。
   在定性方面，由于压力升高，物质的分子浓度增大，反应速度增大，放热量增多。在1大气压以上时，一般爆炸极限多数变宽。压力对爆炸范围的影响，在已知气体当中，只有CO例外，是随着压力增加，爆炸范围变窄。爆炸极限随压力的变化，从燃烧速度对压力的依存性方面试图用理论推导，但不能得到满意的结果。从碳氢化合物在氧气中的爆炸上限的研究结果认为，在1～10大气压范围内适合于以下的实验式：
CH₄．．．．．．．．．． L_上＝56.0(P－0.9)0.040
C₂H₆．．．．．．．．． L_上＝52.5(P－0.9)0.045
C₃H₈．．．．．．．．． L_上＝47.5(P－0.9)0.042
C₂H₄．．．．．．．．． L_上＝64.0(P－0.2)0.083
C₂H₆．．．．．．．．．．L_上＝43.5（P－0.2）0.095
式中 L_上——气体的爆炸上限，体积%；
P ——压力，大气压。
   为判断高压气体使用过程中的爆炸危险性，确定不同压力下的爆炸极限值是很重要的。但又不是简单的取值，因为大多数情况是在高温及组成复杂的情况下，所以根据实测数据作成爆炸极限图十分必要。C₂H₄—O₂—N₂ 系测定结果见图4—16。
   高压下爆炸极限的测定容器如图4—17和图4—18所示。图4—17主要是用在可燃性气体—助燃气体系以及分解爆炸性气体—惰性气体体系，在压力100公斤／厘米’、温度200℃条件下进行测定。图4—18主要是用在可燃蒸气—助燃气体系、可燃气体—空气—水蒸气体系，在压力50公斤／厘米² 、温度200℃条件下的测定。测定容器附有爆炸压力计、测定点火时压力变化的示波器等，以判定爆炸时的情况。
   高压下点火源可采用高融点金属铂线通过电流融断方法实现。

    （六）．图示法

      此法计算较为简单，并可立即得出不同比例混合气的爆炸极限。从理论上说可求多种气体组成的混合气，但实际作图有困难，一般只应用在三成分系，即用三角形座标法来计算。除空气外，最多能含两种可燃性气体，利用图示法可得出几个有用的结论。
下面专门讨论三成分系混合气爆炸范围。一般三成分系有如下三种组成：
（1）由可燃性气体F、助燃气体S、惰性气体I各一种组成；
（2）由两种可燃性气体F1、F2同助燃气体S组成；
（3）由可燃性气体F、同两种助燃性气体Sl、S2组成。
   将三成分系混合气的组成用三角座标图表示，见图4—19(a)(1)、(2)、(3)。图中斜线部分相当于爆炸范围。xl，x2；x1',x2'；X_lX₂ ；表示可燃性气体的爆炸上下限。

     三角座标图读法：见图4—19(b)。在图内任何一点，即表示三成分不同百分比。其读法是交点上作三平行线，分别与三边平行，从三条平行线与相应边的交点可读出其含量。如图中m点A(50)、B(20)、C(30)，Q点A(20)、B(70)、C(10)，如点在AC线上，则B为0，余类推。
四成分混合气的组成是在三成分混合气中任加一种成分，此时可用三角锥表示其组成。爆炸范围呈一个立体图形，比较复杂。但一般混合气均可按上述有关原理简化成可燃性气体、助燃性气体及惰性气体三成分系。

     图4—20表示最基本的情况，三角坐标上表示由任意可燃性气体F、助燃性气体O及惰性气体N组成的三成分系混合气的组成，底边上A点表示空气组成(O₂ 21％、N₂ 76％)。F在氧气中爆炸下限X₁、上限X₂；在空气中的下限为X₁、上限为X₂。连上限X₂x2、下限X₁x1得交点C，C是爆炸的临界点。X₁x1几乎与底边平行，表示爆炸下限在一定范围内不受氧含量的影响，X₂、X₁ 、C的三角形内部是爆炸范围。

    如果可燃气体在氧或空气中的化学计算比值分别为M及m，则NCmM各点大体呈一直线。但在实测时C点多数在直线的稍上方。自F向C引直线与底边交点P，P即为氧气的极限浓度（理论值)。即在PN间的气体介质中，无论可燃气体浓度多大，都不会发生爆炸。
再如从O向C引直线，在FN线交点为Q，以惰性气体NN稀释可燃性气体至QN间的组成与空气混合成任何浓度都不发生爆炸。FX₂ CQ不等边形范围内组成的气体，在密封容器内不爆炸，但此气体从容器泄漏到空气中时，能引起燃烧或爆炸。
     总之，图上可分成三个部分，FX₂CQ有可燃性，即与空气混合点火可能燃烧而无爆炸，X₂X₁ C有爆炸性，X1ONQC则完全不燃烧又不爆炸。
     根据上述原理：只要已知可燃性气体在氧或空气中的爆炸极限就很容易绘出三成分系混合气爆炸范围图，从而判定爆炸的可能程度。利用三成分系爆炸范围图还可方便地查得在不同比例时的爆炸范围。图4—21为H₂、CO、C₂H₂、C₂H₄、CH₄等可燃性气体与空气及氮气三成分系混合气爆炸范围图。

图4－22，4—23，4—24为几组混合可燃气体的爆炸范围图。

  五、爆炸极限的应用

       在人们发现和掌握可燃物质的爆炸极限这一规律之前，认为所有可燃物质都是很危险的，因此防爆条例一概都比较严格。在认识爆炸极限规律之后，就可以(1)划分可燃物质的爆炸危险程度，从而尽可能用爆炸危险性小的物质代替爆炸危险性大的物质。例如乙炔的爆炸极限为2．2—81％；液化石油气组分的爆炸极限为丙烷2.17～9．5％，丁烷1．15～8．4％，丁烯1．7—9.6％等。它们的爆炸极限范围比乙炔小得多，说明液化石油气的爆炸危险性比乙炔小，因而在气割时推广用液化石油气代替乙炔。(2)爆炸极限可作为评定和划分可燃物质的标准，如可燃气体按爆炸下限(＜10％或≥10％)分为一、二两级。(3)根据爆炸极限选择防爆电机和电器，例如生产或贮存爆炸下限≥10％的可燃气体，可选用任一防爆型电气设备；爆炸下限＜10％的可燃气体，应选用隔爆型电气设备。(4)确定建筑物的耐火等级、层数和面积等。例如生产爆炸下限小于10％的物质，厂房建筑最高层次限一层，并且必须是一、二级耐火等级。(5)在确定安全操作规程以及研究采取各种防爆技术措施——通风、检测、置换、检修等时，也都必须根据可燃气体或液体的爆炸危险性的不同，采取相应的有效措施，以确保安全。