如何计算爆炸上限和下限(共9页)

爆炸温度计算【大纲考试内容要求】：ﻫ1.了解爆炸温度和压力的计算;ﻫ2.掌握爆炸上限和下限的计算。【教材内容】：2.爆炸温度计算1）根据反应热计算爆炸温度ﻫ理论上的爆炸最高温度可根据反应热计算。［例]求乙醚与空气的混合物的爆炸温度。ﻫ［解](１）先列出乙醚在空气中燃烧的反应方程式:ﻫC4H10０＋60２　+22.6N→4Ｃ０2　+5Ｈ２Ｏ+　2２．６N2ﻫ式中，氮的摩尔数是按空气中N2∶O2=79∶21的比例确定的，即６０2对应的N2应为：ﻫ6×79/21=　22．6ﻫ由反应方程式可知,爆炸前的分子数为29.6,爆炸后为31.6。ﻫ(２）计算燃烧各产物的热容。气体平均摩尔定容热容计算式见2—5。表2-5气体平均摩尔定容热容计算式   气   　体热容/（418６．８J/（ｋmｏl·℃)) 单原子气体(Aｒ、Ｈe、金属蒸气等)双原子气体（N２、O2、H2、CＯ、ＮO等)   　C０2、S02   H2O、H２Ｓ 所有口原子气体(NH３及其他)所有五原于气体(CＨ４及其他)4.9３4.80+0.0００４5t9.0+０.００058t4．０+0.002１５t１０.00+0．0004５t１2.00＋0.0004５t根据表中所列计算式，燃烧产物各组分的热容为：ﻫN：的摩尔定容热容为[(4.8＋O.００0４5t)×4１8６.8］J／(kｍol·℃）ﻫH20的摩尔定容热容为[(4.０＋０.00２15t)X4186.8］J/(kｍｏｌ·℃)ﻫＣO。的摩尔定容热容为[(９.0＋0．00058t)X4186．８］J/(kmol·℃)燃烧产物的热容为：[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·℃)ﻫ［４(9．０+0．00058t)×41８６．8]Ｊ/（kmol·℃)=Ｅ(150.７+０．0０9７t)×１Ｏ3］Ｊ/（kmoｌ·℃)燃烧产物的总热容为(６88.４+0．0967t)×10３J/(kｍol·℃)。这里的热容是定容热容,符合于密闭容器中爆炸情况。(3)求爆炸最高温度。先查得乙醚的燃烧热为2.7×lO6J／mol，即2.７×10９J/ｋmol。ﻫ因为爆炸速度极快,是在近乎绝热情况下进行的,所以全部燃烧热可近似地看作用于提高燃烧产物的温度,也就是等于燃烧产物热容与温度的乘积,即:ﻫ2.7×lＯ9=［(６88.４＋0．０９６７t)×103]·tﻫ解上式得爆炸最高温度t＝282６℃。ﻫ上面计算是将原始温度视为０℃。爆炸最高温度非常高,虽然与实际值有若干度的误差，但对计算结果的准确性并无显著的影响。2)根据燃烧反应方程式与气体的内能计算爆炸温度可燃气体或蒸气的爆炸温度可利用能量守恒的规律估算，即根据爆炸后各生成物内能之和与爆炸前各种物质内能及物质的燃烧热的总和相等的规律进行计算。用公式表达为:∑u2=∑Q＋∑uｌ             （２--6)式中∑u2——燃烧后产物的内能之总和；   ∑ul——燃烧前物质的内能之总和;    　   ∑Q——燃烧物质的燃烧热之总和。 [例］已知一氧化碳在空气中的浓度为20％,求ＣＯ与空气混合物的爆炸温度。爆炸混合物的最初温度为３０0K。 [解]通常空气中氧占21%,氮占７9%，所以混合物中氧和氮分别占ﻫ由于气体体积之比等于其摩尔数之比，所以将体积百分比换算成摩尔数,即ｌｍol混合物中应有0.2ｍoｌ一氧化碳、０．16８moｌ氧和0.632moｌ氮。 从表２—6查得一氧化碳、氧、氮在3０0K时，其摩尔内能分别为6２３8.３３　J/mol、6238.33J/mｏl和6238．33J／mol,混合物的摩尔内能为：表2—6不同温度下几种气体和蒸气的摩尔内能   J/moｌT/KH2O2N２COＣO2Ｈ２O200４０6１.24144.934１44．9341４4.9３————３00602８.9９62３8.３36238．3３6２38.3３6950．０974９4.37４0０812２.３9８373.608２8９．8683３1.731０048.32１0090.1960０123０9.1９12９3７.２1126０２.２71２6３1.58１7３33．351511４.35800１６５37.86178７７.6417０82．1417207.７525５81.３5２12２7.０８1０００２085０.262306９.２721855．102２064.4４34５41.１0２7549.1414002９９3５.62３3９96.8２32０2９.02３2４05．８35３59１.04３9439.66180039690．８645217.４442705.3６43249．６47４106.3６57３59.162０0044７98.7６512８８.3048２７3．8０4885９.9684573.3665732.7６2２００489８5．5657３5９.１6５40０9.7254470.2７9504０．3６７4１06.３6２4005526５.７６63220．685９452．５６6014３.3８１０550７.3682８9８.64２60060708.６069５０0．8８65３14．０865８1６.501１6８９3.0491６90.92280066570.１275３62.407０75６.9271594．28127２78.72100901．８８30007２01２.９68１64２．６76６18.4477４５５．8013８164.40110１12.84３２0０7７8７4.488８3４1.48８2４７9.９6８3317.3２1４9０50.0811974２．48 ∑u1=(0.2×６238.３3+0.１6８×6238.３３+０．632×６23８.33)J=6２３8．33J一氧化碳的燃烧热为2８5６24J，则0．2ｍol一氧化碳的燃烧热为：ﻫ(O.2×２85６24)Ｊ=57124.8Ｊﻫ燃烧后各生成物内能之和应为：ﻫ∑u2=（６2３８.33+5７124.8）Ｊ=　63363．13Ｊﻫ从一氧化碳燃烧反应式2ＣＯ+O２=２CO2可以看出,0.2mｏl一氧化碳燃烧时生成0．２ｍol二氧化碳，消耗0.１moｌ氧。１mｏl混合物中,原有０.1６8mｏl氧，燃烧后应剩下0.168-0．1=Ｏ.0６8ｍol氧,氮的数量不发生变化,则燃烧产物的组成是：二氧化碳0．２moｌ,氧0.０６8mol,氮0.632moｌ。ﻫ假定爆炸温度为240０Ｋ,由表2—６查得二氧化碳、氧和氨的摩尔内能分别为105507.36J/mｏl、63220.68J／ｍoｌ和5９45２.5６J／mol，则燃烧产物的内能为:∑u　2’=(0.2×105507.３６+０.068×3220.６8＋0.632×５945２.５6)J=6２９74.5J说明爆炸温度高于24０0K，于是再假定爆炸温度为２６０0K，则内能之和应为；∑u2”=(0.2×１1６893.04＋0.0６8×695０0.88＋0.632×85314.08)J=69３83.１７J∑u2”值又大于∑u　2值，因相差不太大,所以准确的爆炸温度可用内插法求得：以摄氏温度表示为:        　t=（Ｔ—273)℃=（２４12—273)　℃=　2139℃   3．爆炸压力的计算   　可燃性混合物爆炸产生的压力与初始压力、初始温度、浓度、组分以及容器的形状、大小等因素有关。爆炸时产生的最大压力可按压力与温度及摩尔数成正比的规律确定,根据这个规律有下列关系式:式中P、T和n——爆炸后的最大压力、最高温度和气体摩尔数；   Po、To和m——爆炸前的初始压力、初始温度和气体摩尔数。   由此可以得出爆炸压力计算公式：ﻫ[例]设Po＝0.1MＰa．To＝２７℃,T＝2411Ｋ,求一氧化碳与空气混合物的最大爆炸压力。[解]当可燃物质的浓度等于或稍高于完全反应的浓度时,爆炸产生的压力最大,所以计算时应采用完全反应的浓度。先按一氧化碳的燃烧反应式计算爆炸前后的气体摩尔数：      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以上计算的爆炸温度与压力都没有考虑热损失,是按理论的空气量计算的，所得的数值都是最大值。爆炸上限和下限的计算,含有惰性气体组成混合物爆炸极限计算(三）爆炸上限和下限的计算,含有惰性气体组成混合物爆炸极限计算   1.爆炸上限和下限的计算   　(１）根据完全燃烧反应所需氧原子数，估算碳氢化合物的爆炸下限和上限，其经验公式如下:式中L下　——碳氢化合物的爆炸下限;   L上——碳氢化合物的爆炸上限;   N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需氧原子数。   [例]试求乙烷在空气中的爆炸下限和上限。   [解]写出乙烷的燃烧反应式,求出N值：               C2H6+3.502　＝2C０2+2H20   　则N＝　7。   将N值分别代入式(2—9）及式(2—1０),得；ﻫ乙烷在空气中的爆炸下限浓度为3.38%，爆炸上限浓度为10.7％。实验测得乙烷的爆炸下限为３.0％，爆炸上限为12.５％，对比上述估算结果,可知用此方法估算的爆炸上限值小于实验测得的值。(２）根据爆炸性混合气体完全燃烧时摩尔分散,确定有机物的爆炸下限及上限。计算公式如下：ﻫ式中Ｘ。为可燃气体摩尔分数，也就是完全燃烧时在混合气体中该可燃气体的含量。2.多种可燃气体组成的混合物的爆炸极限计算由多种可燃气体组成爆炸性混合气体的爆炸极限,可根据各组分的爆炸极限进行计算。其计算公式如下:ﻫ式中 Ｌm——爆炸性混合气的爆炸极限，%;Ｌ1、L２、L3——组成混合气各组分的爆炸极限，%;Ｖ1、V２、V3——各组分在混合气中的浓度，％。                 　Ｖ1＋Ｖ2＋　V3＋…＝1０0%例如,某种天然气的组成如下：甲烷８0％，乙烷1５%,丙烷4％，丁烷1%。各组分相应的爆炸下限分别为５％,3.22％，2．３7％和1.８6％,则天然气的爆炸下限为;将各组分的爆炸上限代入式（213),可求出天然气的爆炸上限。式(2一1３）用于煤气、水煤气、天然气等混合气爆炸极限的计算比较准确,而对于氢与乙烯、氢与硫化氢、甲烷与硫化氢等混合气及一些含二硫化碳的混合气体，计算的误差较大。 【例题】．根据经验公式计算乙烷在空气中的爆炸下限和上限分别是（ ）。A．３.38%  10.7％       B．5.３8%  21.７%     Ｃ．10.７％  　2１.38％      ﻫD．3.０%   1５.0％        【答案】A一、单选题:1、一氧化碳的燃烧反应式是：２CO+O2＋3．7６N2=2C02+３．７６N2设Ｐo=0.１MPａ.Tｏ=27℃,T=2411K，则一氧化碳与空气混合物的最大爆炸压力是__＿＿ＭPａ。A.0.43　　　B.0.69C.0.7５D.　　０.81　　AB　CD你的答案：　答案：b本题分数:１.0０分，你答题的情况为错误所以你的得分为０　分　　解　析:--－----------－－--－－----－----－-－---－---－--－---－-－----－-------－---------------－--－２、乙烷的燃烧反应式是:C２H6+3．5０２　＝2Ｃ02+2Ｈ20按经验公式：　100L下＝————————　4.76　(N-1）＋1　4×１０0Ｌ上＝　——————　4.7６N+4则乙烷在空气中的爆炸下限是＿__＿和上限是_＿__　。A．3.38%　　　10.７%　　　B．4．9２%　　　5.６7　％C．５.８6%　　　９.64%D.　２.1６%　　17.4６%　ABＣＤ　你的答案:标准答案：a　　　本题分数:1.00　分，你答题的情况为　错误所以你的得分为　0分　　解　析:---－--------－-------------－-－--－----－----－－－-－--－－－-－---－---------－------－---－--3、某种天然气的组成如下：甲烷80%,乙烷15％，丙烷4%,丁烷1％。各组分相应的爆炸下限分别为５％，3.2２％，2.37％和1．８6%,则天然气的爆炸下限为____。A.6.３7%　B．７．86%　C．3.45%D．4．37%　ABCD你的答案:标准答案：ｄ