混合气体爆炸极限判断式推导

张玉轩，杨海峰，刘 裕，王 玲



混合气体爆炸极限判断式推导

张玉轩，杨海峰，刘 裕，王 玲

（锦西天然气化工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125001）

通过对氨汽提尿素工艺中压尾气中，可燃气体NH3和H2在空气中爆炸限的计算，推导出NH3和H2混合气体爆炸极限的判断式。

NH3和H2；爆炸；判断式；推导

在化工生产中，很多单元操作放空尾气中都含有多种易燃易爆气体，影响化工生产安全，因此为了确定生产安全的稳定性，必须经常判断混合气体是否在爆炸极限之外，为生产操作提供依据。为判断该混合气体是否在爆炸范围之外，必须计算混合气体的爆炸极限，但计算过程比较复杂。下面对氨汽提尿素工艺中，中压尾气的爆炸极限进行计算，进一步推导出脱离爆炸极限的判断简式，仅供参考。

1 中压尾气的爆炸极限计算简介

氨汽提法中压尾气放空的主要成分有NH3、H2、O2、N2和Ar。其中NH3和H2为可燃可爆气体。在一定浓度范围内就有爆炸的可能性，那么判断中压尾气是否在爆炸范围，可通过计算来分析。

假定中压尾气的组成情况:

NH310%（）, H217.3%（）,

O210.3%（）, N2+Ar 62.4%（）。

NH3和H2在空气中的爆炸限:

NH315.5%-27%（）, H24%~74%（）

对于中压尾气中同时存在几种不同可燃气体，其爆炸极限可按理-查特里公式[1]计算：

=100/∑/=1

式中：-可燃混合气体的爆炸极限；

Ni-在可燃混合气体中每一种可燃组分的体积百分比，不考虑空气和惰气，那么：

∑=100

是组分的爆炸极限。

中压尾气放空中可燃气体的总组成为：

=10%+17.3%=27.3%

其相对体积百分比为：

NH3=10/27.3×100%=36.7%

H2=17.3/27.3×100%=63.3

则该尾气在空气中的爆炸极限为：

LLA=100%/(36.7/15.5+63.3/4)=5.5%

LLA-爆炸下限

LHA=100%/(36.7/27+63.3/74)=45.2%

LHA爆炸上限

所以：LLA＜A＜LHA在爆炸极限之内，该中压尾气在爆炸范围内，可能发生爆炸。

通过以上爆炸极限的计算可以看出，计算过程比较麻烦，判断一组气体是否在爆炸范围之内比较缓慢。

2 NH3和H2混合气体爆炸极限判断简式推导

中压尾气是否在爆炸范围是通过A与：LLA、LLA的比较，判断出来的。

当LLA＜A＜LHA，在爆炸极限之内，该中压尾气在爆炸范围内。

当A＜LLA或A＞LHA，在爆炸极限之外，该中压尾气在爆炸范围外。

假定中压尾气放空中可燃气体的组成为：

NH3=X%（V）, H2=Y%（V）

中压尾气放空中可燃气体的总组成为：

A=（X+Y）%

其相对体积百分比为：

NH3=X/（X+Y）×100%= X/（X+Y）%

H2=Y/（X+Y）×100%= Y/（X+Y）%

则该尾气在空气中的爆炸极限为：

LLA=100%/［X/（X+Y）/15.5+ Y/（X+Y）/4］

LLA-爆炸下限

LHA=100%/［X/（X+Y）/27+ Y/（X+Y）/74］

LHA爆炸上限

中压尾气在爆炸范围之外的判定：

（X+Y）%＜100%/［X/（X+Y）/15.5+ Y/（X+Y）/4］①

或

（X+Y）%＞100%/［X/（X+Y）/27+ Y/（X+Y）/74］②

化简①和②不等式：

4X+15.5Y＜62 ③

爆炸下限判断式

或

74X+27Y＞1998 ④

爆炸上限判断式

举例论证：

设X=12%时，分别代入③、④判断式

Y＜0.90或Y＞41.11

所以：可以假定两组数据X=12%、Y=0.8%和X=12%、Y=42%，它们都应在爆炸范围之外。通过对两组数据进行爆炸极限计算来判断假定的准确性。

把X=12%、Y=0.8%代入爆炸极限计算公式得：

A=12.8%

LLA=13.14%

LHA=28.14%

A＜LLA，所以该组数据在爆炸范围之外，与判断简式③、④判断结果一致。

同样把X=12%、Y=42%代入爆炸极限计算公式得：

A=54%

LLA=4.79%

LHA=53.36%

A＞LHA，所以该组数据在爆炸范围之外，与判断简式③、④判断结果一致。

可燃易爆混合气体NH3和H2在空气中的爆炸范围判断式为：

爆炸下限判断式

4X+15.5Y＜62

说明：NH3、H2, 混合气体浓度分别为X%（V）、Y%（V），代入判断式，当4X+15.5Y的等值小于62时，该混合气体不在爆炸极限之内。

爆炸上限判断式

74X+27Y＞1998

说明：NH3、H2, 混合气体浓度分别为X%（V）、Y%（V），代入判断式，当74X+27Y的等值大于1998时，该混合气体不在爆炸极限之内。

3 NH3和H2混合气体爆炸极限判断曲线图

3.1 爆炸下限曲线图

由NH3和H2混合气体爆炸下限判断式及曲线图可知：

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（1）在曲线图中X和Y曲线上的所有点都一一对应。

（2）在NH3和H2混合气体中，当NH3浓度值在X曲线上确定时，H2浓度值必须小于对应Y曲线上点的值，也就是H2浓度值必须在对应Y曲线上点的下方，该混合气体才能在爆炸极限之外。同样，H2浓度值在Y曲线上确定时，NH3浓度值必须在对应X曲线上点的下方，该混合气体才能在爆炸极限之外。

（3）在NH3和H2混合气体中，当NH3浓度≥15.5%或H2浓度≥4%时，该混合气体在爆炸极限之内。

（4）该判断式及曲线图适合混合气体中NH3浓度≤15.5%和H2浓度≤4%时，进行判断是否在爆炸极限范围。

3.2 爆炸上限曲线图

74X+27Y＞1998 Y0410203031.524050607074 X2725.5423.3519.716.0515.512.418.765.111.460

由NH3和H2混合气体爆炸上限判断式及曲线图可知：

（1）在曲线图中X和Y曲线上的所有点都一一对应。

（2）在NH3和H2混合气体中，当H2浓度值在Y曲线上确定时，NH3浓度值必须大于对应X曲线上点的值，也就是NH3浓度值必须在对应X曲线上点的上方，该混合气体才能在爆炸极限之外。同样，NH3浓度值在X曲线上确定时，H2浓度值必须在对应Y线上点的上方，该混合气体才能在爆炸极限之外。

（4）该判断式及曲线图适合混合气体中NH3浓度≥15.5%和H2浓度≥4%时，进行判断是否在爆炸极限范围

4 NH3和H2混合气体爆炸极限判断推导简式验证

（1）下表记录的是6组中压放空气体分析样和通过“理-查特里公式”计算的相应混合可燃气体爆炸极限，以及通过推导的上限判断式74X+27Y＞1998计算出的对比数值。

SC07中压放空 （NH3）,%NH3,%H2,%N2,%O2,%爆炸极限,% 117.9017.2624.9247.0910.735.74～43.22 218.7510.5322.6154.9211.945.23～47.64 319.3316.621.0151.4710.925.95～41.85 426.56271.2172.67.4213.80～27.76 526.5328.21.2763.277.2613.79～27.76 626.5127.131.3465.446.0913.65～27.83

说明：（NH3）是指当分析样中H2一定时，通过推导的上限判断式74X+27Y＞1998

计算NH3必须大于此数值，氨氢混合气体才能出爆炸极限。

由上表可知：

1—3组放空气体组成中可燃混合气体NH3和H2按“理-查特里公式”计算在爆炸极限之内；按推导的上限判断式“74X+27Y＞1998”计算出的数值进行比较，氨氢混合气体也在爆炸极限之内。

4—6组放空气体组成中可燃混合气体NH3和H2按“理-查特里公式”计算在爆炸极限之外；按推导的上限判断式“74X+27Y＞1998”计算出的数值进行比较，氨氢混合气体也在爆炸极限之外。

因此，推导的混合气体爆炸极限上限判断式“74X+27Y＞1998”是成立的。

（2）下表记录的是6组中压放空气体分析样和通过“理-查特里公式”计算的相应混合可燃气体爆炸极限，以及通过推导的下限判断式“4X+15.5Y＜62”计算出的对比数值。

SC07中压放空 （NH3）,%NH3,%H2,%N2,%O2,%爆炸极限,% 12.820.703.2380.7015.374.41～56.50 22.440.433.3783.3412.864.37～61.80 33.330.303.1484.5312.034.28～64.23 46.6312.782.2973.411.3510.79～29.90 57.0512.682.1877.138.0110.90～29.78 62.132.273.455.5788.715.69～43.63

说明：（NH3）是指当分析样中H2一定时，通过推导的下限判断式“4X+15.5Y＜62”计算NH3必须小于此数值，氨氢混合气体才能出爆炸极限。

由上表可知：

1-3组放空气体组成中可燃混合气体NH3和H2按“理-查特里公式”计算在爆炸极限之外；按推导的下限判断式“4X+15.5Y＜62”计算出的数值进行比较，氨氢混合气体也在爆炸极限之外。

4-6组放空气体组成中可燃混合气体NH3和H2按“理-查特里公式”计算在爆炸极限之内；按推导的高限判断式“4X+15.5Y＜62”计算出的数值进行比较，氨氢混合气体也在爆炸极限之内。

因此，推导的混合气体爆炸极限下限判断式“4X+15.5Y＜62”是成立的。

5 总结

通过以上两组判断式或曲线图可以便捷、准确地判断氨汽提尿素工艺中压尾气NH3和H2混合气体在空气环境中是否发生爆炸，方便于化工生产操作。

[1] 袁一. 化肥工业丛书 尿素［M］. 北京：化学工业出版社，1977.

Derivation of Formula for Judging Mixed Gas Explosion Limit

(Liaoning Jinxi Natural Gas Chemical Co., Ltd., Liaoning Huludao 125001, China)

Based on the calculation of explosion limit of combustible gas NH3and H2from medium-pressure tail gas in the air in the ammonia stripper urea process,the formula for judging NH3and H2mixed gas explosion limit was deduced.

NH3and H2; explosion; judgment formula; derivation

张玉轩（1968-），男，高级工程师，辽宁省葫芦岛市人，1990年毕业于沈阳化工学院无机化工专业，从事生产管理工作。

2017-03-07

TQ 441

A

1004-0935（2017）05-0473-04