第五节 爆炸极限理论与计算 一、爆炸极限理论 可燃气体或蒸气与空气的混合物,并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸,而且燃烧(或爆炸)的速率也随组成而变。实验发现,当混合物中可燃气体浓度接近化学反应式的化学计量比时,燃烧最快、最剧烈。若浓度减小或增加,火焰蔓延速率则降低。当浓度低于或高于某个极限值,火焰便不再蔓延。可燃气体或蒸气与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度,称为该气体或蒸气的爆炸下限;反之,能使火焰蔓延的最高浓度则称为爆炸上限。可燃气体或蒸气与空气的混合物,若其浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上,便不会着火或爆炸。 爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的体积百分数表示,有时也用单位体积可燃气体的质量(kg·m—3)表示。混合气体浓度在爆炸下限以下时含有过量空气,由于空气的冷却作用,活化中心的消失数大于产生数,阻止了火焰的蔓延。若浓度在爆炸上限以上,含有过量的可燃气体,助燃气体不足,火焰也不能蔓延。但此时若补充空气,仍有火灾和爆炸的危险。所以浓度在爆炸上限以上的混合气体不能认为是安全的。 燃烧和爆炸从化学反应的角度看并无本质区别。当混合气体燃烧时,燃烧波面上的化学反应可表示为 A+B→C+D+Q (4—1) 式中 A、B 为反应物;C、D 为产物;Q 为燃烧热。A、B、C、D 不一定是稳定分子,也可以是原子或自由基。化学反应前后的能量变化可用图 4—4 表示。初始状态Ⅰ的反应物(A+B)吸收活化能正达到活化状态Ⅱ,即可进行反应生成终止状态Ⅲ的产物(C+D),并释放出能量W,W=Q+E。 图 4 -4 反应过程能量变化 假定反应系统在受能源激发后,燃烧波的基本反应浓度,即反应系统单位体积的反应数为n,则单位体积放出的能量为nW。如果燃烧波连续不断,放出的能量将成为新反应的活化能。设活化概率为α (α ≤1),则第二批单位体积内得到活化的基本反应数为anW/E,放出的能量为。α nW2/E。后批分子与前批分子反应时放出的能量比β 定义为燃烧波传播系数,为 现在讨论β 的数值。当β <1 时,表示反应系统受能源激发后,放出的热量越来越少,因而引起反应的分子数也越来越少,最后反应会终止,不能形成燃烧或爆炸。当β =1 时,表示反应系统受能源激发后均衡放热,有一定数量的分子持续反应。这是决定爆炸极限的条件(严格说卢值略微超过1 时才能形成爆炸)。当β >1 时,表示放出的热量越来越多,引起反应的分子数也越来越多,从而形成爆炸。 在爆炸极限...