(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n c、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×n c+0.04343 1/L 上=0.01337×n c+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% |