初始温度对甲烷爆炸极限的影响

高志崇，赵萍

(1.泰山学院化学化工学院;2.泰安技师学院机电系，山东泰安271000)

初始温度对甲烷爆炸极限的影响

高志崇1，赵萍2

(1.泰山学院化学化工学院;2.泰安技师学院机电系，山东泰安271000)

利用公式△U=－0.1196n/λ计算了不同温度、不同爆炸下限时甲烷爆炸后的温度，进而计算了爆炸形成的压力.当初始温度为20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃时，根据欧洲标准，计算的温度值分别为1123.0 K、1133.2 K、1148.9 K、1168.2 K、1189.7 K、1211.0 K、1233.3 K，计算的压力值分别为388.156 kPa、307.709 kPa、246.037 kPa、206.522 kPa、179.078 kPa、158.707 kPa、143.119 kPa;根据中国标准，计算的温度值分别为1342.3 K、1323.2 K、1345.7 K、1332.7 K、1359.8 K、1396.6 K、1442.7 K，计算的压力值分别为463.955 kPa、359.301 kPa、288.181 kPa、235.603 kPa、204.697 kPa、183.031 kPa、167.419 kPa.

爆炸反应;温度;压力;甲烷

多年以来，对甲烷爆炸的研究受到高度的重视，对其进行了多方面的研究，取得了大量的实验数据。其中，爆炸极限是研究的一个重要方面。影响甲烷爆炸极限的因素有许多，如惰性气体、初始温度、初始压力等.那么，不同的数据之间有什么联系?如果能够从热力学的角度应予以分析，就可以对某些情况作出预判，以达到减少灾害的目的。不同温度下甲烷爆炸极限的中国标准和欧洲标准有所不同，见表1、2［1］.由于在爆炸上限时，爆炸产物包括CO、CO2、H2、H2O等，产物复杂，因而，本文仅讨论温度对甲烷爆炸下限的影响.

1 原理

甲烷燃烧反应的机理为:(1)O2+hv→2O·;(2)CH4→C+2H2;(3)H2+O·→H2O+hv;(4)C+ O·→CO+hv;(5)2CO+O2→2CO2.根据该机理，甲烷燃烧反应的方程式为:CH4+2O2→CO2+2H2O+ 1.5hv.由方程式可以看出，每摩尔甲烷燃烧发出1.5mol光子.

假设某燃烧反应发出n mol波长为λ的光，根据热力学第一定律，可以推导出［2－3］:

下面利用式(1)计算不同温度下甲烷浓度为爆炸下限时爆炸后体系的温度与压力.

2 温度对甲烷爆炸下限的影响

2.1 不同温度下甲烷的爆炸极限

不同温度下甲烷爆炸有不同的极限，我国和欧洲有不同的标准，见表1、2.

2.220 ℃爆炸下限时爆炸后的温度与压力

下面以20℃，甲烷浓度为爆炸下限(欧洲标准)为例说明甲烷爆炸后形成的温度与压力。由表1可知，20℃甲烷爆炸下限的欧洲标准为4.58%.假设甲烷的物质的量为1mol，则爆炸前总的物质的量为n1=1mol/0.0458=21.834mol，体系中空气的物质的量为20.834mol.空气中以O221%，N279%计，则体系中O2和N2的物质的量分别为4.375mol、16.459mol.假设在爆炸过程中，甲烷完全被燃烧，则甲烷爆炸反应的反应式为:CH4+4.375O2+16.459N2→CO2+2H2O+2.375O2+16.459N2+1.5hv

由反应式可以看出，反应后总的物质的量为n2=21.834mol.假设本文计算的所有气体均为理想气体.某些物质的热力学性质列于表3.由于内能是状态函数，因而，可设计途径，见图1.

表1 不同温度下甲烷爆炸形成的温度与压力(欧洲标准)［1］

表2 不同温度下甲烷爆炸形成的温度与压力(中国标准)［1］

表3298 .15K、101.325kPa下某些物质的热力学性质［6］

图120 ℃、欧洲标准爆炸下限时的设计途径

由于n1=n2，所以:

甲烷燃烧时的火焰为蓝色，波长范围为450～500nm，取λ=500nm计算.根据式(1)得:

即在20℃、甲烷的浓度为4.58%时，甲烷爆炸后体系的温度为1123.0K，压力为388.156kPa.

2.3 其他温度下甲烷爆炸后体系的温度与压力

利用上述同样方法计算了其他温度下△U与温度的关系式(见表4、表5)，进而计算了爆炸后形成的温度与压力(见表1、表2).

表4 不同温度下△U与温度的关系式(欧洲标准)

表5 不同温度下△U与温度的关系式(中国标准)

3 结论

本文利用公式△U=－0.1196n/λ计算了不同温度、不同爆炸极限且假设甲烷完全反应时爆炸后的温度与压力.由表1可以看出，根据欧洲标准，随着初始温度的上升，爆炸后温度是逐渐上升，但是上升的幅度较小.初始温度上升580℃，而爆炸后的温度上升仅约110℃位于1123～1233K之间.可以认为，爆炸后的温度是比较接近的.由表2可以看出，根据中国标准，尽管随着初始温度的上升，爆炸后的温度不是稳定上升，但是，整体而言是上升的.初始温度上升580℃，爆炸后温度约上升120℃，位于1323～1443K之间.由表1、2可以看出，随着初始温度的上升，爆炸后的压力逐渐下降，且下降的幅度较大，20℃时爆炸后的压力大约为600℃时爆炸后压力的2.7倍.

惰性气体对甲烷爆炸的极限也是有影响的.在不同的惰性气体存在的情况下，甲烷在爆炸极限时形成的温度在1341－1380K之间［2］.由此可见，利用中国标准计算的不同初始温度处于爆炸下限时甲烷爆炸后的温度与惰性气体存在时的爆炸后的温度较为接近.

本文的计算值比实测值要高，本文假设爆炸反应是在恒容绝热的条件下进行且甲烷完全燃烧，实际上，爆炸反应不可能完全满足上述所有条件.

［1］林柏泉，朱传杰，江丙友.煤矿瓦斯爆炸机理及防治技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社有限责任公司，2012.

［2］高志崇.惰性气体对甲烷爆炸极限的影响［J］.泰山学院学报，2015(3):89－93.

［3］高志崇.甲烷爆炸后体系的温度与压力［J］.辽宁大学学报，2008，35(2):143－146.

［4］高志崇.甲烷燃烧反应的火焰温度［J］.山西大学学报，2004，27(1):32－34.

［5］高志崇.烃燃烧反应机理探讨［J］.辽宁大学学报，2002，29(3):266－271.

［6］廖雨郊，黄汉平，蔡福安.物理化学［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，山东招远人，泰山学院化学化工学院副教授.