一种环境湿度对烃类及其含氧衍生物爆炸极限影响的估算方法

技术领域

本发明涉及气体与液体的可燃性研究领域，尤其是气体与液体蒸气的爆炸极限研究，具体为一种环境湿度对烃类及其含氧衍生物爆炸极限影响的估算方法。

背景技术

近年来，随着工业的不断发展，我国火灾事故频发，尤其是在煤炭与石油相关的行业中，各种烃类（C_nH_m）及其含氧衍生物（C_nH_mO_l）均极易发生燃烧爆炸。可燃性物质与空气的混合物，只有在一定的浓度范围内才可以被点燃，可以发生燃烧的最大浓度和最小浓度称为爆炸极限。对于可燃性气体或蒸气，最安全的方法是将其在空气中的浓度控制在其爆炸极限范围之外，因此，获取准确的爆炸极限数据对于烃类及其含氧衍生物均具有至关重要的意义。

爆炸极限所研究的对象是可燃性气体或蒸气与空气的混合物，在自然界的空气中，总会含有一定量的水蒸汽，水蒸汽的存在会对可燃物的爆炸极限产生一定的影响：水蒸汽对空气的稀释作用及水蒸汽对可燃物质的阻燃作用。对于烃类及其含氧衍生物，随着环境湿度的增大，其爆炸下限逐渐增大，而爆炸上限逐渐减小。水蒸汽在湿空气中的体积比是时刻变化的，温度和相对湿度越大，水蒸汽的含量也越高。如夏季当环境温度为40℃，相对湿度为70%时，水蒸汽在空气中的体积比将达到5.2%，因此环境湿度对烃类及其含氧衍生物爆炸极限的影响作用不可忽视。

目前国内外关于环境湿度对爆炸极限影响作用的研究还比较有限，已有的研究仅限于很少数的几种可燃性物质，且均为实验研究。由于可燃性物质的数量众多，在实际中不可能对所有可燃物在不同湿度下的爆炸极限进行实验研究，而目前也没有可用的湿度与爆炸极限的关系的估算方法，使得烃类及其含氧衍生物在不同的环境条件下的安全生产、运输和运行等过程中缺乏基本的安全参数。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种环境湿度对可燃物质爆炸极限影响的估算方法，其适用的可燃物质为烃类及其含氧衍生物。当已知可燃物C_nH_m或C_nH_mO_l在干空气中的爆炸极限时，即可根据本发明提出的方法估算得到C_nH_m或C_nH_mO_l在不同湿度的空气中的爆炸极限值，为安全应用提供依据。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：本发明包括以下步骤：

步骤1：通过实验测得C_nH_m或C_nH_mO_l在干空气中的爆炸下限值与爆炸上限值，其中，l>0；

步骤2：在爆炸下限处，根据温度为T₀，相对湿度为h计算得到混合物中C_nH_m或C_nH_mO_l的体积比、干空气的体积比及水蒸汽的体积比；

步骤3：在爆炸上限处，根据温度为T₀，相对湿度为h计算得到混合物中C_nH_m或C_nH_mO_l的体积比、干空气的体积比及水蒸汽的体积比；

步骤4：根据基于绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_m/水蒸汽或C_nH_mO_l/水蒸汽二元混合物的爆炸下限；

步骤5：根据基于绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_m/水蒸汽或C_nH_mO_l/水蒸汽二元混合物的爆炸上限；

步骤6：根据步骤2与步骤4得到温度为T₀，相对湿度为h下C_nH_m或C_nH_mO_l爆炸下限的估算结果；

步骤7：根据步骤3与步骤5得到温度为T₀，相对湿度为h下C_nH_m或C_nH_mO_l爆炸上限的估算结果；

步骤8：将C_nH_m或C_nH_mO_l在空气中的浓度控制在步骤6和步骤7的估算结果范围内，以实现烃类及其含氧衍生物的安全应用。

根据温度为T₀，相对湿度为h，由湿度的定义得到不同温度和相对湿度条件下C_nH_m或C_nH_mO_l、水蒸汽、干空气各自的体积比。

所述步骤4中根据基于绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_mO_l与水蒸汽二元混合物的爆炸下限L_f，具体计算公式为：

式中，L_f,dry为C_nH_mO_l在干空气中的爆炸下限，为水蒸汽的体积比，为C_nH_mO_l的体积比；式中斜率α_L的表达式为：

$>{\alpha }_L=\frac{a_4-a_2}{L_{f,\mathrm{dry}}(a_3-a_1-a_2)}$>

式中系数a₁～a₄的表达式分别为：

$>a_1={(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0})}_{C_n{H}_m{O}_l}$>

$>a_2=0.21{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{O_2}+0.79{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{N_2}$>

$>a_3=n{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{{\mathrm{CO}}_2}+\frac{m}{2}{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{H_{2}O}-(n+\frac{m}{4}-\frac{l}{2}){\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{O_2}$>

$>a_4={\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_{2}O}$>

式中：T₀为燃烧反应的初始温度；T_ref=298K为参考温度；h_f为化合物的标准生成焓；Δh为化合物的焓差；T_ad为C_nH_mO_l在爆炸下限处的绝热火焰温度，并且由Gaseq计算软件计算得到。

所述步骤5中根据基于绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_mO_l与水蒸汽二元混合物的爆炸上限U_f，具体计算公式为：

式中U_f,dry为C_nH_mO_l在干空气中的爆炸上限，为水蒸汽的体积比，为C_nH_mO_l的体积比；式中斜率α_U的表达式为：

$>{\alpha }_U=\frac{b_2+b_4+b_5}{U_{f,\mathrm{dry}}(b_2+b_3+b_4-b_1)}$>

式中系数b₁～b₅的表达式分别为：

$>b_1={(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0})}_{C_n{H}_m{O}_l}$>

$>b_2=0.21{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0}\right)}_{O_2}+0.79{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0}\right)}_{N_2}$>

$>b_3=n{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{\mathrm{CO}}+(l-n){(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{H_{2}O}+(n+\frac{m}{4}-l){\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_2}$>

$>b_4=0.42{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_2}-0.42{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{H_{2}O}-0.79{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{N_2}$>

$>b_5={\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_{2}O}$>

式中：T_ad为C_nH_mO_l在爆炸上限处的绝热火焰温度，并且由Gaseq计算软件计算得到。

与现有技术相比，本发明具有得有益效果：根据环境湿度条件计算得到空气中水蒸汽的体积比，将水蒸汽作为阻燃气体，根据绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_m/水蒸汽或C_nH_mO_l/水蒸汽二元混合物的爆炸极限值，该估算结果即为该湿度条件下C_nH_m或C_nH_mO_l的爆炸极限。在实际工作生产中将C_nH_m或C_nH_mO_l的控制在爆炸上限和爆炸下限的估算结果范围内，以实现烃类及其含氧衍生物的安全应用，为烃类及其含氧衍生物在不同的环境条件下的安全生产、运输和运行等过程中提供了基本的安全参数。

在不同的环境条件下，应用本发明估算得到该条件下可燃物的爆炸范围，在可燃物的生产和应用中，严格将可燃物的浓度控制在估算得到的爆炸范围内，将可以避免燃烧爆炸事故的发生。根据本估算方法的结果，当环境湿度较大时，若严格按照本发明的估算结果，在烃类及其含氧衍生物的应用中可将可燃物的浓度条件适当放宽，而在冬季则尤其应该注意防火。

附图说明

图1为应用本发明的估算方法估算得到的不同环境湿度条件下甲烷的爆炸极限。

图2为应用本发明的估算方法估算得到的不同环境湿度条件下丙烯的爆炸极限。

图3为应用本发明的估算方法估算得到的不同环境湿度条件下二甲醚的爆炸极限。

具体实施方式

本发明给出的估算方法适用于可燃物为C_nH_m或C_nH_mO_l，其中，l>0，下面以介绍了可燃物为C_nH_mO_l的具体的估算方法，当使用本发明的估算方法估算可燃物为C_nH_m时，只需在具体的估算步骤中令l=0即可。

（1）根据实验测量得到C_nH_mO_l在干空气中的爆炸下限L_f,pure与爆炸上限U_f,pure；

（2）当C_nH_mO_l在湿空气中的爆炸下限为L_f时，在爆炸下限处，根据环境条件（温度为T₀，相对湿度为h）计算得到混合物中C_nH_mO_l的体积比干空气的体积比及水蒸汽的体积比

式中p_T0,H2O为水在温度为T₀时的饱和蒸汽压。

（3）当C_nH_mO_l在湿空气中的爆炸上限为U_f时，在爆炸上限处，混合物中C_nH_mO_l的体积比干空气的体积比及水蒸汽的体积比分别为：

（4）根据基于绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_mO_l与水蒸汽二元混合物的爆炸下限L_f。

式中L_f,dry为C_nH_mO_l在干空气中的爆炸下限，式中斜率α_L的表达式为：

$>{\alpha }_L=\frac{a_4-a_2}{L_{f,\mathrm{dry}}(a_3-a_1-a_2)}$>

式中系数a₁～a₄的表达式分别为：

$>a_1={(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0})}_{C_n{H}_m{O}_l}$>

$>a_2=0.21{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{O_2}+0.79{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{N_2}$>

$>a_3=n{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{{\mathrm{CO}}_2}+\frac{m}{2}{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{H_{2}O}-(n+\frac{m}{4}-\frac{l}{2}){\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{O_2}$>

$>a_4={\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_{2}O}$>

式中：T₀为燃烧反应的初始温度；T_ref=298K为参考温度；h_f为化合物的标准生成焓；Δh为化合物的焓差；T_ad为C_nH_mO_l在爆炸下限处的绝热火焰温度，可使用Gaseq等计算软件计算得到，也可编程获取。

（5）根据基于绝热火焰温度的估算方法估算得到C_nH_mO_l与水蒸汽二元混合物的爆炸上限U_f。

式中U_f,dry为C_nH_mO_l在干空气中的爆炸上限，式中斜率α_U的表达式为：

$>{\alpha }_U=\frac{b_2+b_4+b_5}{U_{f,\mathrm{dry}}(b_2+b_3+b_4-b_1)}$>

式中系数b₁～b₅的表达式分别为：

$>b_1={(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0})}_{C_n{H}_m{O}_l}$>

$>b_2=0.21{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0}\right)}_{O_2}+0.79{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_0}\right)}_{N_2}$>

$>b_3=n{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{\mathrm{CO}}+(l-n){(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{H_{2}O}+(n+\frac{m}{4}-l){\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_2}$>

$>b_4=0.42{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_2}-0.42{(h_f+\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}})}_{H_{2}O}-0.79{\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_{\mathrm{ref}}}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{N_2}$>

$>b_5={\left(\mathrm{\Delta h}{|}_{T_0}^{T_{\mathrm{ad}}}\right)}_{H_{2}O}$>

式中：T_ad为C_nH_mO_l在爆炸上限处的绝热火焰温度，可使用Gaseq等计算软件计算得到，也可编程获取。

（6）将步骤（2）中的表达式代入步骤（4）中混合物爆炸下限估算方程得到C_nH_mO_l在湿空气中的爆炸下限计算公式为：

$>L_f=\frac{L_{f,\mathrm{dry}}(1-{\alpha }_L{\mathrm{hp}}_{T0,H2O})}{1-{\alpha }_L{L}_{f,\mathrm{dry}}{\mathrm{hp}}_{T0,H2O}}$>

根据上式可以得到C_nH_m或C_nH_mO_l爆炸下限的估算结果；

（7）将步骤（3）中的表达式代入步骤（5）中混合物爆炸下限估算方程得到C_nH_mO_l在湿空气中的爆炸上限计算公式为：

$>U_f=\frac{U_{f,\mathrm{dry}}(1-{\alpha }_U{\mathrm{hp}}_{T0,H2O})}{1-{\alpha }_U{U}_{f,\mathrm{dry}}{\mathrm{hp}}_{T0,H2O}}$>

根据上式可以得到C_nH_m或C_nH_mO_l爆炸上限的估算结果；

（8）将C_nH_m或C_nH_mO_l在空气中的浓度控制在步骤6和步骤7的估算结果范围内，以实现烃类及其含氧衍生物的安全应用。

应用本发明对甲烷、丙烯与二甲醚三种物质在不同温度和湿度条件下的爆炸极限进行了估算，估算结果见附图1～3。由图中结果可以看出，随着环境空气中水蒸气含量的增大，可燃物的爆炸范围缩小。在不同的环境条件下，应用本发明估算得到该条件下可燃物的爆炸范围，在可燃物的生产和应用中，严格将可燃物的浓度控制在估算得到的爆炸范围内，将可以避免燃烧爆炸事故的发生。根据本估算方法的结果，当环境湿度较大时，若严格按照本发明的估算结果，在烃类及其含氧衍生物的应用中可将可燃物的浓度条件适当放宽，而在冬季则尤其应该注意防火。

根据本发明的算法可以精确计算获取烃类及其含氧衍生物在不同环境条件下的爆炸极限值，为烃类及其含氧衍生物的安全应用提供了依据。