纯净的氢气可以在空气中安静的燃烧,而氢气和空气混合时,点燃却可能发生爆炸,其原因是?

Question

纯净的氢气可以在空气中安静的燃烧,而氢气和空气混合时,点燃却可能发生爆炸,其原因是?

Answer 1

可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合,形成预混气,遇着火源才会发生爆炸,这个浓度范围称为爆炸极限,或爆炸浓度极限.例如一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12．5％～80％.可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度,分别称为爆炸下限和爆炸上限,这两者有时亦称为着火下限和着火上限.在低于爆炸下限和高于爆炸上限浓度时,既不爆炸,也不着火.这是由于前者的可燃物浓度不够,过量空气的冷却作用,阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足,导致火焰不能蔓延的缘故.当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时,具有最大的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例).
可燃性混合物的爆炸极限范围越宽、爆炸下限越低和爆炸上限越高时,其爆炸危险性越大.这是因为爆炸极限越宽则出现爆炸条件的机会就多；爆炸下限越低则可燃物稍有泄漏就会形成爆炸条件；爆炸上限越高则有少量空气渗入容器,就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件.应当指出,可燃性混合物的浓度高于爆炸上限时,虽然不会着火和爆炸,但当它从容器或管道里逸出,重新接触空气时却能燃烧,仍有发生着火的危险.
爆炸极限的单位 气体或蒸气的爆炸极限的单位,是以在混合物中所占体积的百分比(％)来表示的,如氢与空气混合物的爆炸极限为4％～75％.可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积的质量比g／m3来表示的,例如铝粉的爆炸极限为40g／m3.
爆炸极限计算 爆炸反应当量浓度、爆炸下限和上限、多种可燃气体混合物的爆炸极限计算方法如下：
(1)爆炸反应当量浓度.爆炸性混合物中的可燃物质和助燃物质的浓度比例,在恰好能发生完全的化合反应时,则爆炸所析出的热量最多,所产生的压力也最大.实际的反应当量浓度稍高于计算的反应当量浓度,这是因为爆炸性混合物通常含有杂质.
可燃气体或蒸气分子式一般用CαHβOγ表示,设燃烧1mol气体所必需的氧摩尔数为n,则燃烧反应式可写成：
CαHβOγ+nO2→生成气体
按照标准空气中氧气浓度为20．9％,则可燃气体在空气中的化学当量浓度X(％),可用下式表示：
可燃气体在氧气中的化学当量浓度为Xo(％),可用下式表示：
也可根据完全燃烧所需的氧原子数2n的数值,从表1中直接查出可燃气体或蒸气在空气(或氧气)中的化学当量浓度.其中 .
可燃气体（蒸气）在空气中和氧气中的化学当量浓度
(2)爆炸下限和爆炸上限.各种可燃气体和燃性液体蒸气的爆炸极限,可用专门仪器测定出来,或用经验公式估算.爆炸极限的估算值与实验值一般有些出入,其原因是在计算式中只考虑到混合物的组成,而无法考虑其他一系列因素的影．响,但仍不失去参考价值.
1)根据完全燃烧反应所需的氧原子数估算有机物的爆炸下限和上限,其经验公式如下.
爆炸下限公式：
(体积)
爆炸上限公式：
(体积)
式中 L下——可燃性混合物爆炸下限；
L上——可燃性混合物爆炸上限；
n——1mol可燃气体完全燃烧所需的氧原子数.
某些有机物爆炸上限和下限估算值与实验值比较如表2：
表2 石蜡烃的化学计量浓度及其爆炸极限计算值与实验值的比较
从表中所列数值可以看出,实验所得与计算的值有一定差别,但采用安全系数后,在实际生产工作中仍可供参考.
2)根据化学当量浓度计算爆炸极限和爆炸性混合气完全燃烧时的化学当量浓度,可以估算有机物的爆炸下限和上限.计算公式如下：
此计算公式用于链烷烃类,其计算值与实验值比较,误差不超过10％.例如甲烷爆炸极限的实验值为5％～15％,与计算值非常接近.但用以估算H2、C2H2以及含N2、Cl2等可燃气体时,出入较大,不可应用.
(3)多种可燃气体组成混合物的爆炸极限.由多种可燃气体组成爆炸混合气的爆炸极限,可根据各组分的爆炸极限进行估算,其计算公式如下：
式中 Lm——爆炸性混合气的爆炸极限(％)；
L1、L2、L3、Ln——组成混合气各组分的爆炸极限(％)；
V1、V2、V3、…Vn——各组分在混合气中的浓度(％).
V1+V2+V3+…Vn=100
该公式用于煤气、水煤气、天然气等混合气爆炸极限的计算比较准确,而对于氢与乙烯、氢与硫化氢、甲烷与硫化氢等混合气及二硫化碳的混合气体,则计算的误差较大,不得应用.
——摘自《安全科学技术百科全书》（中国劳动社会保障出版社,2003年6月出版）
explosive limit 可燃性气体或蒸气与助燃性气体形成的均匀混合系在标准测试条件下引起爆炸的浓度极限值.助燃性气体可以是空气、氧气或其他助燃性气体.一般情况提及的爆炸极限是指可燃气体或蒸气在空气中的浓度极限.能够引起爆炸的可燃气体的最低含量称为爆炸下限；最高浓度称为爆炸上限.混合系的组分不同,爆炸极限也不同.同一混合系,由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等的都能使爆炸极限发生变化.一般规律是：混合系原始温度升高,则爆炸极限范围增大,即下限降低、上限升高.因为系统温度升高,分子内能增加,使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统.系统压力增大,爆炸极限范围也扩大,这是由于系统压力增高,使分子间距离更为接近,碰撞几率增高,使燃烧反应更易进行.压力降低,则爆炸极限范围缩小；当压力降至一定值时,其上限与下限重合,此时对应的压力称为混合系的临界压力.压力降至临界压力以下,系统便不成为爆炸系统(个别气体有反常现象).混合系中所含惰性气体量增加,爆炸极限范围缩小,惰性气体浓度提高到某一数值,混合系就不能爆炸.容器、管子直径越小,则爆炸范围就越小.当管径(火焰通道)小到一定程度时,单位体积火焰所对应的固体冷却表面散出的热量就会大于产生的热量,火焰便会中断熄灭.火焰不能传播的最大管径称为该混合系的临界直径.点火能的强度高、热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大.除上述因素外,混合系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围.
可燃性蒸气的爆炸极限值是由可燃液体表面产生的蒸气浓度决定的.对于可燃液体而言,爆炸下限浓度对应的闪点温度又可以称为爆炸下限温度；爆炸上限浓度对应的液体温度又可以称为爆炸上限温度.