容器内可燃气体燃爆温度与压力的计算方法
箱２６卷第１期ａｘＨ年１月
南京
ｌ：业大学学报
Ｖ胡２６
Ｎ。ｌ
ＪＯＵＲＮＡｌ。ＯＦＮＡＮＪＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳｒｌ３７ＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｊａ。２００４
容器内可燃气体燃爆温度与压力的计算方法
王志荣，蒋军成，李玲
（南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏南京２１０００９）
摘要：对容器内可燃气体爆炸过程进行了热力学分析，得出可燃气体在容器内爆炸前后物质热力学能保持不变的结论。根据化工热力学能量守恒方程，推导出了两种客器内可燃气体爆炸温度和压力的计算方法．．对几种可燃烃类气体进行了计算，其计算结果与文献值和实验值进行了比较分析，结果表明：燃爆温度的计算偏差为９
１ｌ
１４％。
１５％．爆炸压力的计算偏差为５
８４％～１２
２１％．说明了计算方法的有效性和实用性。结合计算实例对两种计算
方法进行了阐述，计算结果基丰一致。
关键词：爆炸温度；爆炸压力；化工热力学；计算方法中图分类号：ＴＥ６８７；ＴＱ０８６
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１—７６４３ｆ２Ｃ０４｝０１一０００９一（）４
化工生产中，特别是石油化工生产中涉及到各种可燃气体，这些气体存在燃爆危险性。一旦发生此类燃烧爆炸事故，不仅装置本身会受到毁坏，而且邻近地区人员的生命、财产和环境都将遭受巨大损失。国内外学者对于气体爆炸过程研究较多。…，对于密闭空问可燃气体爆炸升压也进行ｒ计算研究、５。目前常用的有等温爆炸、绝热爆炸等模型“，但由于模型参数选取以及计算过程的复杂性，不能迅速而方便地获得气体燃爆温度和压力等特性值。本文采用化工热力学的分析方法对气体爆炸温度和
递给周围的环境，但由于爆炸是在瞬间完成，爆炸时产生的能量通过器壁传给外界的量极少，接近绝热条件。因此，本文假设容器内气体爆炸过程为理想气体绝热恒容过程，即可燃气体在爆炸前后物质热力学能保持不变。
２容器内气体爆炸温度和压力的计算
２．Ｉ反应焓计算方法
容器内气体爆炸系统由可燃性气体混合物和周围环境组成，以气体为研究对象，满足热力学能量守衡方程－７一
ＡＵ＝Ｑ＋Ｗ
（１）
压力进行ｒ｝Ｉ算研究，计算结果对于化工装置的防
爆设计以及预测和预防化工生产过程中的气体爆炸事敞，都有－定的指导意义。
容器内气体爆炸过程属于恒容绝热过程，气体
ｌ容器内可燃气体爆炸热力学分析
可燃性气体与助燃性气体混合，达到爆炸极限后，遇点火源就会发生燃烧爆炸事故。容器内气体爆炸系统可以分成两部分，可燃性气体混合物和周围环境。周围环境包括容器和容器外的空气。气体爆炸反应在常温常压或低温低压下引爆，爆炸压力不会太高，因此爆炸性混合气体可近似地作为理想气体处理。爆炸反应所释放的化学能绝大部分用来使反应后的气体从空温升到爆炸温度，极少部分传
与周同环境没有热量和功的传递，物系热力学能保持恒定，所以．Ｗ：０，Ｑ：０。
ＡＵ＝０
（２）
气体爆炸的恒容绝热反应过程可以简化为恒温恒容反应过程和恒容升温过程，如图１所示。
根据热力学第一定律，恒容Ｆ（封闭系统）可燃气体燃爆前后的热力学能不变。由状态函数的性质
可知
ＡＵ＝△ＵＩ＋△巩（３）
恒温反应过程和恒容升温过程可以分别通过反
收稿日期：２（０３—０４—１８
基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ２９９３６１１０）；汀封、省青年科学基金资助项目（ＢＱ９８０２９）
作者简介：千志荣（１９７７一），男，湖北广水人，博士研究生，丰要从事化工过程及装置爆炸灾害模拟分析与防治技术研究。
０
南京工业大学学报第２６卷
图１窖器肉气体爆炸过程等效分析简隔
Ｆｉｇ１
Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃｈａｒｔ
ｏｆｇａｓｅｘｐｌｏｓｋｍ
ｐｒｃｃ嚼ａｎａｌｙｓｌｓ
ｉｎｖｅｓｓｅｌｓ
应焓和比热进行计算。
表ＩＰ。计算值与Ｋ．ＮａｔｍｔＤｌ实验值比较
１
ＡＵｌ＝ＡＨ】一∑ｔｔＩＲＴ
ＡＵ２＝∑ｎ２Ｃ，．啪ＡＴ
（４）
（５）
Ｔａｂｌｅ
ＣｏⅡ嘶ｓｏｎ
８ａ）ｅｄｒ㈣Ｉｄ
ｏｆｖａｌｕｅｓ
ｂｅｔｗｅｅｎｃｘｔｍｐｕｌａｆｉｏｎａｎｄ
ｒｅｓｕｌｔ（Ｋ．Ｎａｂａｔ
通过查阅《化工手册》或相关文献可得到气体混合物各组分的标准摩尔生成焓、比热等参数，从而可以比较方便地计算可燃气体爆炸温度，再由理想气体状态方程计算爆炸压力。２．２热力学能计算方法
可燃气体在爆炸前后物质热力学能保持不变，所以，容器中气体爆炸温度和压力，可根据燃烧反应热或热力学能来计算。
恒温反应的热力学能的变化可由反应焓或燃烧热计算。
表２
Ｔａｂｌｅ
注：Ｋ．Ｎｓｂａｔ实验条件：凡＝０．１ＭＰａ，Ｒ＝２９８
Ｋ，Ｖ＝Ｏ
００５
ｄ
Ｐ。计算值与ＫｏｄａｋＥ１０１实验值比较
ｏｆｖｍｕ８ｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｍｌｍｉｄ
２（ｂ“砌ｓｍ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ酬ｔ（Ｋｏｄａｋ）
ＡＵ。＝ｚ△珑
从图１可以看出
（６）（７）
所以，△Ｕ２＝Ｕ】…ｕ０
△如＝“一％
△ＵＩ＝
一ｘ△丑畚＝ｘＱ。
力Ｐ。根据气体状态方程式求得
【８）
注：Ｋｏｄａｋ实验条件：Ｐ０＝０１ＭＰａ．％＝３３８
５Ｋ，Ｖ＝０
通过试差法和内插法计算爆炸温度Ｌ，爆炸压
Ｏｌ一
Ｐ。．＝瓦ｉｍ，。ｉｒｔ
２．３计算值与实验值对比分析
（９）
Ｔａｂｌｅ３
表３靠计算值与文献值比较
Ｃ伽ｍ日ｒｉ哪ｌ
ｏｆｖａｌｕｅｓｂｅｔｗｅｅｎｅｏｍｐｕｔａｔｉｔｍａｎｄｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｃｉｔｅｄ
表１、２为利用反应焓计算方法计算的几种烃类气体（Ｃ２Ｈ２、ｃ２心、Ｃ３Ｈ８、ｃ４Ｈｌｏ）在容器中的爆炸压力Ｐ．。和实验值的对比。
表３为利用热力学能计算方法计算的几种烃类气体（Ｃ２Ｈ２、ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ。ｏ）在容器中的爆炸温度靠和文献值［８］的对比。
从表１～３可以看出，Ｋ．Ｎａｂａｔ实验条件下容器
第１期
乇志荣等：容器内可燃气体燃爆温度与压力的计算方法
中气体爆炸压强计算值的最大偏差为１２．２１％，Ｋ０．ｄａｋ实验条件下容器中气体爆炸压力计算值的最大偏差为１０．５５％，容器中气体爆炸温度计算值的最大偏差为１１．１５％。这主要是由于绝热假设所引起的，实际的爆炸过程并不是绝热过程，因为气体燃爆瞬间产生的高压使容器发生变形，消耗了能量，并且有热损失。爆炸产物气体分子与容器内壁碰撞也会引起能量损失。
３计算实例
实验表明［１１］：在化学反应平衡方程式所需的化学计量浓度附近，其爆炸温度和爆炸压力都将达到最大值。因此，化工生产中的可燃气体在该浓度Ｆ操作是一种最危险的工况。假设甲烷气体在容器中均是以化学计量比与空气混合而发生爆炸，可由两种计算方法计算甲烷气体的爆炸温度和压力。
３
１
利用反应焓计算容器内甲烷气体爆炸温度和压力甲烷燃烧爆炸反应方程式为：
ＯＨ４＋２０２＋２×３．７６Ｎ’＝Ｃ０２＋２Ｈ０＋２
ｘ
３．７６Ｎ，
（１０）
由参考文献［７］查得：
Ｃｖ（Ｈ２０）＝３７．６６Ｊ・ｔｏｏｌ“・Ｋ～，
Ｃｖ（ｃ０２）＝４６．３
Ｊ－ｔｏｏｌ一‘・Ｋ一７，
Ｃｖ（Ｎ２）＝２５．１Ｊ・ｔｏｏｌ“－Ｋ～，
△麒（ｃ０２＇ｇ，２９８）＝一３９３，５１ｋＪ・Ｉ赫～，△熊（Ｈ２０，ｇ，２９８）＝一２４】．８２ｋＪ‘ｍｏｌ－。，
△麒（ｃ地，ｇ，２９８）＝一７４．８ｌｋＪ‘ｔｏｏｌ－。，ｎｌ＝０
根据式（３）一（５）可确定△ｕ１和△【，２，从而可确定爆炸温度和压力。
％＝２
８８３Ｋ，Ｐｍ＝９．８０ｘｌＯｓＰａ
３．２利用化学热力学能计算容器内甲烷气体爆炸
温度和压力
求出爆炸前（Ｔ＝３００Ｋ）爆炸产物的热力学能之和如下，热力学能由参考文献［１２］查到。
Ｕｏ＝（１×１．６５８＋２×１．７８６＋７．５２×１．４８９）ｘ
４．１８４＝６８．７３ｋＪ
系统内爆炸产生的总能量：
Ｕｌ＝６８．７３＋１×７９９．１４＝８６７．８７ｋＪ
用试差法求爆炸后的温度：设爆炸后的温度为２８００
Ｋ。则爆炸后系统物质
的热力学能之和为
％＝（２
Ｘ
２３．９９９＋７．５２×１６．９１３＋１×３０．３８２）×
４．１８４＝８６００９ｋＪ
由于所设２
８００
Ｋ时产物内能之和８６０．０９
ｋＪ＜
８６７．８７
Ｊ，故再设温度为３
０００
Ｋ，则
巩＝（２
Ｘ
２６．１９８＋７．５２
ｘ
１８２８３＋１×３２．９７８）ｘ
４．１８４＝９３２．４６ｋＪ
由于所设３
０００
Ｋ时产物内能之和９３３．１
ｋＪ＞
８６７．８７
ｋｊ，故爆炸温度在２８００Ｋ和３０００Ｋ之Ｉｌ自Ｊ，用
内插法计算爆炸温度：
％＝２８００＋（８６７．８７—８６０．０９）×ｔｏｏ／（９３２．４６—
８６０．０９）＝２８２２Ｋ
由公式（９）可求得爆炸压力：
Ｒ＝９．５３×１驴Ｐａ
４结论
采用化工热力学的分析方法推导了利用反应焓和热力学能计算可燃气体爆炸温度和压力的计算方法，通过比较分析可得出以下结论。
（１）容器中气体爆炸温度计算值的最大偏差为１１．１５％，Ｋ．Ｎａｂａｔ实验条件下容器中气体爆炸压强计算值的最大偏差为１２．２１％，Ｋｅ，ｄａｋ实验条件下容器中气体爆炸压力计算值的最大偏差为１０．５５％。计算结果与文献值及实验值对比分析可知．计算方法的热力学分析和基本假设是合理的，计算结果是有效的。
（２）爆炸温度和压力计算误差主要是由于理论计算方法没有考虑爆炸过程中的热损失和能量消耗造成的。因为气体燃爆瞬间产生的高压使容器发生变形，消耗了能量。热损失主要是由于爆炸产物气体分子与容器器壁碰撞和与周围环境热交换引起的。符号说明：
形物系对外界做功ｒ
燃烧爆炸反应温度Ｑ
物系从环境中吸收的能量△ｕ
物系热力学能增量
△矾
恒温恒容反应过程热力学能增量△巩
恒容升温过程热力学能增量△巩
气体反应焓变
ｎ．
反应物系物质的量的增量ｍ
气体反应计量系数ｃ…
气体平均等容比热
１２
南京丁业大学学报
第２６卷
ＡＴ
反应温度增量３
ＪｉｍｌｇＪｍｍｈｅｎｇ，ＷａｎｇＳａｎｍｉｎｇ（］（ｍｌｔ＋坩ｉｓｃｍ
ｒｌｆ掣ｖｅｍｌｆ＿ｏｎｅｌａｔｉｏｎ
０．
物质燃烧热
ｍｏｄｅｌｓｆｏｒＶＣＥｂｔ越ｐｌｗｌｉｃ４ｉｎｎｌＡ
Ｊ７ｒｈＨｌｑ心【ｌ
Ｐｒａｃｔｉｃｅｏｆ
Ｅｎｅｒ－
ｚ
可燃物燃烧计量系数
ｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ
ＶｏｌⅣ［ｃ
Ｊ
Ｂｅｌｊｉｎｇ：ｃｈ】阻Ｓｃｉｅｎｃｅ圳１Ｔｍｈｔｌｏｌｏｇｙ
爆炸前温度下爆炸产物的热力学能
４１１－４１６
％
Ｐ…２００１
４
ＪｉａｎｇＪｕＭｈｅｎｇ，ＷａｎｇＢａｏｑｕａｎ，Ｐａｎ
Ｘｕｈａｉ．ｅｔａｌ
Ａｃｃｉｄｅｒｎｓｔｍｄ。＊－
Ｕ，
系统内爆炸产生的总能量ｓｉｓｍｉｄｓｄｂｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏＤ
ｃａｔａｓｔｒｏｐ］ｒｍ
ｔｈ。ｏ＇［Ａ１【ｈ％ｍＨｓ；Ｔ１
巩
爆炸后系统内物质热打挚能Ｓａｌｉｔｙ
Ｓｃｉｅｎ［＊Ⅲ｛Ｔｋ・ｈｎ０１ｗ［ＣＪ
Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｏ
＾
气体爆炸前的压力ＰｒＰ∞．２“Ⅺ．４１ｍｎ
气体爆炸前的温度５
郭文军．崔京浩，雷全立密闭空ｎ０燃气爆炸升所ｌ『算［Ｊ１煤
ｎ
爆炸后气体物质的量气％热力，１９９９，１９（２）：４２Ⅲ
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爆炸前气体物质的量６赵衡阳气体及粉尘爆炸慷理［Ｍ‘北京：北赢Ｊ；ｌｌ！］一人学出版
气体爆炸后的温度
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ｒ。
７天津大学物理化学教研室物删化学［Ｍ］北京：高等教莳出
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Ｒ
气体常数８
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△巩标准摩尔生成焙
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ＳａｆｅＬｙＳｃｉｅｎｃｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］
他
禁凤英，谈宗山，盂赫．等化工安全Ｉ‘程［Ｍ］．Ｊ匕京：科学出版Ｂｅｉｊｌｎｇ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２０００．５２５－５２＇
社．２００１．４８—５０
Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍ６ｔｈｏｄｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ
ｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｉｎｖｅｓｓｅｌｓＷＡＮＧ７Ａｉ—ｒａｎｇ，ＪｔＡＮＧＪｕｎ—ｃｈｅｎｇ，ＬＩ
Ｌｉｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＳａｆｅｔｙ＆ＥｎｖｉｍｎｎｒｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮａｎｊｉｔＪｇ２１０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｏｔａｌｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｅｎｅｒｇｙｏｆｔｈｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｖｅｓ，ｓｅｌｓｉｓｃｏｎｓｔａｎｔ
ｂｅｆｏｒｅ
ｍａｄａｆｔｅｒｔｈｅｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇａｓｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓａｔｉｏｎ
ｅｑｕａｔｉｏｎ
ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈｅｎｎｏｄｙｎｍｎｉｃｓ，ｔｗｏｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｔｔｒｅｏｆｇａｓ
ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｉｎｖｅｓｓｅｌｓｗｅｌＰ，ｂｕｉｌｔ
Ｔｈｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅａｂｏｕｔｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｔｌａｎｎｎａｂｌｅｇａｓｅｓｈａｖｅｂｅｅｎ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖｄｔｈｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ．Ｈａｖｉｎｇｃｈｅｃｋｅｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｖａｌｕｅｓａｇａｉｎｓｔｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｌｉｌｅｍｔｕｒｅｓ．ｔ｝ｌｅ
ｅ／ｑ［ｏｒ
ｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｉｎ９．１４％～１１．１５％，ｔｈｅ
ｅｌＴｏｒ
ｏｆｃｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｉｎ５．｛ｊ４％一
１２．２１％．Ｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｉｔｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｔｏ
ｕｓｅ
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Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｃａ∞ｅｘａｍｐｌｅｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｂｅｅｎｅｘｐｌｍｎｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｃｈｅｎｆｉｃａｌ
ｅＩｌ｛；ｉｎｅｅｆｉｎｇｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
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