第5章-气体爆轰理论

1第5章气体爆轰理论2本章主要内容5.1气体爆轰现象5.2爆炸浓度极限及其确定方法5.3气体爆轰参数的计算5.4螺旋爆轰现象及胞格结构5.5影响气体爆轰传播的因素5.6云雾爆轰现象35.1气体爆轰现象45.1气体爆轰现象凡是在常温常压下以气态存在，经撞击、摩擦、热源或火花等点火源的作用能发生燃烧爆炸的气态物质，统称为可燃性气体。可燃性气体可分为无机气体和有机气体。55.1气体爆轰现象通常，可燃性气体按使用形态可分为5类：可燃气体：氢气、煤气、四个碳以下的有机气体（如甲烷、乙烯、丙烷等）均属此类。它们在常温常压下以气态存在，和空气形成的混合物容易发生燃烧或爆炸。可燃液化气：如液化石油气、液氨、液化丙烷等。这类气体在加压降温的条件下即可变为液体，压缩储存在贮灌中。液化石油气的主要成分是丙烷、丙稀、丁烷和丁烯等。常温常压下为气体，0.8～1.5MPa压力即可液化为液体。65.1气体爆轰现象可燃液体的蒸气：如甲醇、乙醚、酒精、笨、汽油等的蒸气，这些蒸气在燃烧液体表面上有较高的浓度，当它和空气混合物的浓度达到一定程度时，容易发生燃烧或爆炸。助燃气体：如氧、氯、氟、氧化亚氮、氧化氮、二氧化氮等。它们在化学反应中能作为氧化剂，把它们和能作为还原剂的可燃性气体混合，会形成爆炸性混合物。75.1气体爆轰现象分解爆炸性气体：如乙烯、乙炔、环氧乙烷、炳二烯等。它们不需要与助燃气体混合，本身就会发生爆炸。可燃气体是与外界的空气或氧发生燃烧或爆炸而释放能量的。这一点与炸药不同。军事上利用这些可燃气体本身不携带氧，靠周围环境中的氧释放能量这一优点，研究开发具有大面积杀伤破坏效应的燃料空气炸弹。85.2爆炸浓度极限及其确定方法95.2.1气体爆炸浓度极限105.2爆炸浓度极限及其确定方法通常情况下，气体混合物中可燃成分的浓度处于一定范围内时，才会发生爆炸现象，这个浓度范围称为爆炸浓度范围。能够发生爆炸的最低浓度叫爆炸浓度下限，而能够发生爆炸的最高浓度叫做爆炸浓度上限。如表5-1所示。115.2.1气体爆炸浓度极限表5-1混合气体的爆炸浓度范围注意:表中的爆炸浓度极限(explosivelimit)和爆轰浓度极限的区别。工程上，爆炸浓度极限通常包括爆燃部分。125.2.1气体爆炸浓度极限当可燃物含量很稀或很浓时，化学反应进行很慢，单位时间内放出的总化学反应能量较小，就不能支持前沿冲击波去激发下层混合气体的化学反应。即使没有任何能量耗散，也不能使爆轰波稳定传播。135.2.1气体爆炸浓度极限在混合气体的爆炸浓度范围内，存在一个最佳浓度。这时，爆速最大、压力和反应放出热也最大。从安全角度看，最佳浓度时的威力最大、破坏效应也最严重，如图5－1所示。图5－1浓度和爆速的关系（C2H2＋O2）145.2.1气体爆炸浓度极限爆炸浓度极限不是一个固定的物理常数，它与点火能、初始温度、压力等因素有关。（1）点火能一般来说，点火能量越大，传给周围可燃混合物的能量越多，引起临层爆炸的能力越强，火焰越易自行传播，从而爆炸浓度范围变宽。即[a,b]中的a变小，b变大。但当点火能达到一定程度时，爆炸浓度范围变化就不明显了。155.2.1气体爆炸浓度极限表5-2为甲烷和空气混合物在不同能量的点火条件下爆炸浓度极限的实验结果。当点火能达到一定程度时，对爆炸浓度极限的影响就不明显了。表5-2点火能对甲烷空气混合气体爆炸浓度极限的影响165.2.1气体爆炸浓度极限（2）初始温度初始温度升高，会使化学反应的速度加快。在相同的点火能下，可燃气体混合物的初始温度越高，燃烧反应越快，于是单位时间放热越多，火焰越易传播，因而爆炸极限范围变宽，如图5－2所示。175.2.1气体爆炸浓度极限图5－2温度对爆炸极限的影响（甲烷）185.2.1气体爆炸浓度极限（3）压力混合气体压力提高，爆炸浓度范围扩大。处于高压下的气体，其分子比较密集，单位体积中所含混合气分子较多，分子间传热和发生化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失显著减少，因此爆炸浓度范围扩大。压力对爆炸浓度上限的影响较大。表5-3压力对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。195.2.1气体爆炸浓度极限表5-3压力对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。205.2.1气体爆炸浓度极限在减压的情况下，随着压力的降低，爆炸范围不断缩小。当压力降到某一数值时，则会出现上限浓度和下限浓度重合。如果压力再继续下降，则混合气便不会爆炸了，这一压力称为爆炸极限的临界压力。215.2.1气体爆炸浓度极限（4）惰性气体在可燃混合气中添加惰性气体，可使混合气体爆炸范围缩小。当惰性气体大于一定浓度时，混合气体便不能发生燃烧、爆炸。如表5-4所示225.2.1气体爆炸浓度极限表5-4CO2对汽油蒸气爆炸浓度极限的影响235.2.2爆炸浓度极限的计算245.2.2爆炸浓度极限的计算（1）按完全燃烧1摩尔可燃性气体所需的氧摩尔数no估算式中——可燃混合气体的爆炸下限——可燃混合气体的爆炸上限%11276.41000minnL%452.94000maxnLminLmaxL255.2.2爆炸浓度极限的计算【例】C3H8+5O2——3CO2+4H2O（实测值为2.1%）（实测值为9.5%）%11276.41000minnL%28.2%111076.4100%452.94000maxnL%75.7%4552.9400265.2.2爆炸浓度极限的计算（2）按化学计量浓度估算可燃混合物中的可燃物与氧或空气中的氧燃烧时到达完全氧化反应的浓度称为化学计量浓度。设可燃气体的分子式为：CaHbOc+n0O2——aCO2+b/2H2O则n0=a+b/4-c/2275.2.2爆炸浓度极限的计算如果把空气中氧气的浓度取为20.9%，则可燃气体在完全燃烧的情况下，空气中的化学计量浓度的计算式如下：在氧气中，则为：于是，爆炸浓度极限可估算如下：该式可用来估算烷烃以及其它有机可燃气体的爆炸浓度极限，但不适用于乙炔以及氢、硫、氯等无机气体。%209.09.2000nL0L%110000nL0min55.0LL0max8.4LL285.2.2爆炸浓度极限的计算【例】C3H8+5O2——3CO2+4H2O解：n0=5在空气中：（实测值为2.1%）（实测值为9.5%）%01.4%209.09.2000nL%21.255.00minLL%6.98.40maxLL295.2.2爆炸浓度极限的计算在氧气中：%67.16%110000nL%17.955.00minLL%6.198.40maxLL305.2.2爆炸浓度极限的计算（3）北川法计算爆炸浓度上限此法是由日本北川彻三提出来的。他认为，在各有机同系物中，可燃气分子中的碳原子数a与可燃气达到爆炸上限所必需的氧摩尔数no之间存在着直线关系。如果是烷烃，其关系为：据此，爆炸浓度上限的计算公式为：125.00an2,1a25.125.00an3a%209.09.200maxnL%46.9%209.09.200maxnL丙烷的315.2.2爆炸浓度极限的计算（4）多组分可燃气体混合物的爆炸浓度极限如果多组分可燃气体反应特性接近或为同系物时，它们与空气构成的爆炸性混合物的爆炸浓度极限可根据理·查特里（Le·Chatelier）法则计算，即式中分别为第i种组分在可燃物中的浓度。分别为第i种组分的爆炸浓度极限（下限或上限）。nnmixLVLVLVLVL332211100nVVVV321,,nLLLL321,,325.2.2爆炸浓度极限的计算上式需满足以下条件：1、2、各组分间不发生化学反应且爆炸时不发生催化作用；3、各组分的爆炸浓度极限已知。100321nVVVV335.2.2爆炸浓度极限的计算【例】某天然气含甲烷80％，乙烷15％，丙烷4％，丁烷1％，求天然气的爆炸浓度极限。设A、B、C、D分别表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷已知%5.1%1.2%0.3%0.5minminminminDCBALLLL%5.8%5.9%5.12%0.15maxmaxmaxmaxDCBALLLL345.2.2爆炸浓度极限的计算由上式可得：爆炸浓度下限：爆炸浓度上限：%2.4%015.001.0021.004.003.015.005.080.0100minL%1.14%085.001.0095.004.0125.015.015.080.0100maxL以上公式均没考虑温度、压力等因素的影响355.3气体爆轰参数的计算365.3气体爆轰参数的计算本节主要介绍气体爆轰参数的近似计算。假定：（1），即认为与气体温度和组分无关；（2）原始混合物的压力与CJ压力相比可以忽略。则爆轰波的Hugoniot方程变为：……(1)kkkj0k0pjpejjjjQvvpkvp0211375.3气体爆轰参数的计算由等熵方程可得：……(2)由CJ条件知：……(3)移项整理可得：忽略得:……(4)ApvkjjMsvpkdvdp,jjjjvpkvvpp00jjjkppkkvv00010pkkvvjj100385.3气体爆轰参数的计算将（4）式代入波速方程可得……(5)将（4）、（5）式代入（1）式可得：……(6)由和可得：……(7)jjvvpvD002011DkpjeQkD122Dvvvujj00jjvvpvD00jjjjvvpvvu00395.3气体爆轰参数的计算把（4）式代入（7）式可得：……(8)由CJ条件可得……(9)Dkuj11DcujjDkkcj1405.3气体爆轰参数的计算将（4）和（5）式代入状态方程可得：(10)因此，（4）～（10）式即为爆轰参数的近似公式。TMRpv2211kkDRnpRMTjjjjj415.3气体爆轰参数的计算需要注意的是：（1）作为一种近似估算，可按近似的爆炸反应式确定；（2）的单位是单位质量（1kg）爆炸物的定容比热；（3）为1kg爆炸物爆炸后形成气体产物的摩尔数。jjenMkQ,,,eQkgJjn425.3气体爆轰参数的计算【例】已知混合气爆炸反应式为：CH4+2O2+8N2——CO2+2H2O+8N2+801.72KJ试求该混合爆炸物的爆速D。（k＝1.28）解：则kgJQe6310637.2288641610001072.801smQkDe183510637.2128.1212622435.3气体爆轰参数的计算【作业】：根据上述例子，计算常温常压下CH4＋2O2混合气体发生爆炸时的爆速和CJ压力。（k＝1.28）445.4螺旋爆轰现象及胞格结构455.4螺旋爆轰现象及胞格结构目前为止，爆轰波结构总是基于ZND模型中提出的一维的、光滑的稳定爆轰波。但实际上，爆轰波阵面是三维的、不光滑的、不稳定的。爆轰波在接近爆轰极限的气体内，或者在化学反应活化能比较高、较难起爆的气体中传播时，实验发现了一种称为“螺旋爆轰”现象。465.4螺旋爆轰现象及胞格结构1926年，Campbell和Woodhead在研究气体混合物2CO+O2的爆轰时发现了这种现象。他们用高速照相机记录了螺旋爆轰的传播过程，得到了如图所示的图像。475.4螺旋爆轰现象及胞格结构由图可见，爆轰波阵面的传播速度是不均匀的，出现周期性的振动现象；爆轰波后产物区，有规则的水平光亮条纹线，而且此光亮条纹线与波阵面的波纹状迹线有关。波阵面迹线上的每一个突峰处，对应于反应产物区中的一条光亮条纹。如果螺旋爆轰波在涂有粉末的管子中传播时，在管壁上会留下螺旋运动的迹线。485.4螺旋爆轰现象及胞格结构螺旋爆轰分为单头的和多头的。单头一般出现在接近爆炸极限或很难起爆的混合气体中；多头一般出现在混合气体中含有加速反应的物质，或者在位于爆轰极限