初始溫度對甲烷爆炸極限的影響

高志崇，趙萍

(1.泰山學院化學化工學院;2.泰安技師學院機電系，山東泰安271000)

初始溫度對甲烷爆炸極限的影響

高志崇1，趙萍2

(1.泰山學院化學化工學院;2.泰安技師學院機電系，山東泰安271000)

利用公式△U=－0.1196n/λ計算了不同溫度、不同爆炸下限時甲烷爆炸后的溫度，進而計算了爆炸形成的壓力.當初始溫度為20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃時，根據歐洲標準，計算的溫度值分別為1123.0 K、1133.2 K、1148.9 K、1168.2 K、1189.7 K、1211.0 K、1233.3 K，計算的壓力值分別為388.156 kPa、307.709 kPa、246.037 kPa、206.522 kPa、179.078 kPa、158.707 kPa、143.119 kPa;根據中國標準，計算的溫度值分別為1342.3 K、1323.2 K、1345.7 K、1332.7 K、1359.8 K、1396.6 K、1442.7 K，計算的壓力值分別為463.955 kPa、359.301 kPa、288.181 kPa、235.603 kPa、204.697 kPa、183.031 kPa、167.419 kPa.

爆炸反應;溫度;壓力;甲烷

多年以來，對甲烷爆炸的研究受到高度的重視，對其進行了多方面的研究，取得了大量的實驗數據。其中，爆炸極限是研究的一個重要方面。影響甲烷爆炸極限的因素有許多，如惰性氣體、初始溫度、初始壓力等.那么，不同的數據之間有什么聯系?如果能夠從熱力學的角度應予以分析，就可以對某些情況作出預判，以達到減少災害的目的。不同溫度下甲烷爆炸極限的中國標準和歐洲標準有所不同，見表1、2［1］.由于在爆炸上限時，爆炸產物包括CO、CO2、H2、H2O等，產物復雜，因而，本文僅討論溫度對甲烷爆炸下限的影響.

1 原理

甲烷燃燒反應的機理為:(1)O2+hv→2O·;(2)CH4→C+2H2;(3)H2+O·→H2O+hv;(4)C+ O·→CO+hv;(5)2CO+O2→2CO2.根據該機理，甲烷燃燒反應的方程式為:CH4+2O2→CO2+2H2O+ 1.5hv.由方程式可以看出，每摩爾甲烷燃燒發出1.5mol光子.

假設某燃燒反應發出n mol波長為λ的光，根據熱力學第一定律，可以推導出［2－3］:

下面利用式(1)計算不同溫度下甲烷濃度為爆炸下限時爆炸后體系的溫度與壓力.

2 溫度對甲烷爆炸下限的影響

2.1 不同溫度下甲烷的爆炸極限

不同溫度下甲烷爆炸有不同的極限，我國和歐洲有不同的標準，見表1、2.

2.220 ℃爆炸下限時爆炸后的溫度與壓力

下面以20℃，甲烷濃度為爆炸下限(歐洲標準)為例說明甲烷爆炸后形成的溫度與壓力。由表1可知，20℃甲烷爆炸下限的歐洲標準為4.58%.假設甲烷的物質的量為1mol，則爆炸前總的物質的量為n1=1mol/0.0458=21.834mol，體系中空氣的物質的量為20.834mol.空氣中以O221%，N279%計，則體系中O2和N2的物質的量分別為4.375mol、16.459mol.假設在爆炸過程中，甲烷完全被燃燒，則甲烷爆炸反應的反應式為:CH4+4.375O2+16.459N2→CO2+2H2O+2.375O2+16.459N2+1.5hv

由反應式可以看出，反應后總的物質的量為n2=21.834mol.假設本文計算的所有氣體均為理想氣體.某些物質的熱力學性質列于表3.由于內能是狀態函數，因而，可設計途徑，見圖1.

表1 不同溫度下甲烷爆炸形成的溫度與壓力(歐洲標準)［1］

表2 不同溫度下甲烷爆炸形成的溫度與壓力(中國標準)［1］

表3298 .15K、101.325kPa下某些物質的熱力學性質［6］

圖120 ℃、歐洲標準爆炸下限時的設計途徑

由于n1=n2，所以:

甲烷燃燒時的火焰為藍色，波長范圍為450～500nm，取λ=500nm計算.根據式(1)得:

即在20℃、甲烷的濃度為4.58%時，甲烷爆炸后體系的溫度為1123.0K，壓力為388.156kPa.

2.3 其他溫度下甲烷爆炸后體系的溫度與壓力

利用上述同樣方法計算了其他溫度下△U與溫度的關系式(見表4、表5)，進而計算了爆炸后形成的溫度與壓力(見表1、表2).

表4 不同溫度下△U與溫度的關系式(歐洲標準)

表5 不同溫度下△U與溫度的關系式(中國標準)

3 結論

本文利用公式△U=－0.1196n/λ計算了不同溫度、不同爆炸極限且假設甲烷完全反應時爆炸后的溫度與壓力.由表1可以看出，根據歐洲標準，隨著初始溫度的上升，爆炸后溫度是逐漸上升，但是上升的幅度較小.初始溫度上升580℃，而爆炸后的溫度上升僅約110℃位于1123～1233K之間.可以認為，爆炸后的溫度是比較接近的.由表2可以看出，根據中國標準，盡管隨著初始溫度的上升，爆炸后的溫度不是穩定上升，但是，整體而言是上升的.初始溫度上升580℃，爆炸后溫度約上升120℃，位于1323～1443K之間.由表1、2可以看出，隨著初始溫度的上升，爆炸后的壓力逐漸下降，且下降的幅度較大，20℃時爆炸后的壓力大約為600℃時爆炸后壓力的2.7倍.

惰性氣體對甲烷爆炸的極限也是有影響的.在不同的惰性氣體存在的情況下，甲烷在爆炸極限時形成的溫度在1341－1380K之間［2］.由此可見，利用中國標準計算的不同初始溫度處于爆炸下限時甲烷爆炸后的溫度與惰性氣體存在時的爆炸后的溫度較為接近.

本文的計算值比實測值要高，本文假設爆炸反應是在恒容絕熱的條件下進行且甲烷完全燃燒，實際上，爆炸反應不可能完全滿足上述所有條件.

［1］林柏泉，朱傳杰，江丙友.煤礦瓦斯爆炸機理及防治技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社有限責任公司，2012.

［2］高志崇.惰性氣體對甲烷爆炸極限的影響［J］.泰山學院學報，2015(3):89－93.

［3］高志崇.甲烷爆炸后體系的溫度與壓力［J］.遼寧大學學報，2008，35(2):143－146.

［4］高志崇.甲烷燃燒反應的火焰溫度［J］.山西大學學報，2004，27(1):32－34.

［5］高志崇.烴燃燒反應機理探討［J］.遼寧大學學報，2002，29(3):266－271.

［6］廖雨郊，黃漢平，蔡福安.物理化學［M］.北京:高等教育出版社，1994.

The Effect of the Initial Temperatures on the Limits of CH4Explosions

GAO Zhi－chong1，ZHAO Ping2
(1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Taishan University; 2.Department of Mechanical and Electronic Engineering，Taian Technician Institute，Tai＇an，271000，China)

The temperatures produced by CH4explosions at different initial temperatures and different explosive lower limit are calculated by the formula，then the pressures are calculated.When the initial temperatures are 20，100，200，300，400，500，600，according to Europe standard，the calculated temperatures are 1123.0、1133.2、1148.9、1168.2、1189.7、1211.0、1233.3 K in order，and the calculated pressures are388.156、307.709、246.037、206.522、179.078、158.707、143.119 kPa in order;according to China standard，the calculated temperatures are 1342.3、1323.2、1345.7、1332.7、1359.8、1396.6、1442.7 K in order，the calculated pressures are 463.955、359.301、288.181、235.603、204.697、183.031、167.419 kPa in order.

explosive reaction;temperature;pressure;methane

O643

A

1672－2590(2015)06－0076－04

2015－09－29

高志崇(1966－)，女，山東招遠人，泰山學院化學化工學院副教授.