張玉軒，楊海峰，劉 裕，王 玲

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混合氣體爆炸極限判斷式推導(dǎo)

張玉軒，楊海峰，劉 裕，王 玲

（錦西天然氣化工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125001）

通過對氨汽提尿素工藝中壓尾氣中，可燃氣體NH3和H2在空氣中爆炸限的計算，推導(dǎo)出NH3和H2混合氣體爆炸極限的判斷式。

NH3和H2；爆炸；判斷式；推導(dǎo)

在化工生產(chǎn)中，很多單元操作放空尾氣中都含有多種易燃易爆氣體，影響化工生產(chǎn)安全，因此為了確定生產(chǎn)安全的穩(wěn)定性，必須經(jīng)常判斷混合氣體是否在爆炸極限之外，為生產(chǎn)操作提供依據(jù)。為判斷該混合氣體是否在爆炸范圍之外，必須計算混合氣體的爆炸極限，但計算過程比較復(fù)雜。下面對氨汽提尿素工藝中，中壓尾氣的爆炸極限進行計算，進一步推導(dǎo)出脫離爆炸極限的判斷簡式，僅供參考。

1 中壓尾氣的爆炸極限計算簡介

氨汽提法中壓尾氣放空的主要成分有NH3、H2、O2、N2和Ar。其中NH3和H2為可燃可爆氣體。在一定濃度范圍內(nèi)就有爆炸的可能性，那么判斷中壓尾氣是否在爆炸范圍，可通過計算來分析。

假定中壓尾氣的組成情況:

NH310%（）, H217.3%（）,

O210.3%（）, N2+Ar 62.4%（）。

NH3和H2在空氣中的爆炸限:

NH315.5%-27%（）, H24%~74%（）

對于中壓尾氣中同時存在幾種不同可燃氣體，其爆炸極限可按理-查特里公式[1]計算：

=100/∑/=1

式中：-可燃混合氣體的爆炸極限；

Ni-在可燃混合氣體中每一種可燃組分的體積百分比，不考慮空氣和惰氣，那么：

∑=100

是組分的爆炸極限。

中壓尾氣放空中可燃氣體的總組成為：

=10%+17.3%=27.3%

其相對體積百分比為：

NH3=10/27.3×100%=36.7%

H2=17.3/27.3×100%=63.3

則該尾氣在空氣中的爆炸極限為：

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在爆炸極限之內(nèi)，該中壓尾氣在爆炸范圍內(nèi)，可能發(fā)生爆炸。

通過以上爆炸極限的計算可以看出，計算過程比較麻煩，判斷一組氣體是否在爆炸范圍之內(nèi)比較緩慢。

2 NH3和H2混合氣體爆炸極限判斷簡式推導(dǎo)

中壓尾氣是否在爆炸范圍是通過A與：LLA、LLA的比較，判斷出來的。

當LLA＜A＜LHA，在爆炸極限之內(nèi)，該中壓尾氣在爆炸范圍內(nèi)。

當A＜LLA或A＞LHA，在爆炸極限之外，該中壓尾氣在爆炸范圍外。

假定中壓尾氣放空中可燃氣體的組成為：

NH3=X%（V）, H2=Y%（V）

中壓尾氣放空中可燃氣體的總組成為：

A=（X+Y）%

其相對體積百分比為：

NH3=X/（X+Y）×100%= X/（X+Y）%

H2=Y/（X+Y）×100%= Y/（X+Y）%

則該尾氣在空氣中的爆炸極限為：

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

中壓尾氣在爆炸范圍之外的判定：

（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

化簡①和②不等式：

4X+15.5Y＜62 ③

爆炸下限判斷式

或

74X+27Y＞1998 ④

爆炸上限判斷式

舉例論證：

設(shè)X=12%時，分別代入③、④判斷式

Y＜0.90或Y＞41.11

所以：可以假定兩組數(shù)據(jù)X=12%、Y=0.8%和X=12%、Y=42%，它們都應(yīng)在爆炸范圍之外。通過對兩組數(shù)據(jù)進行爆炸極限計算來判斷假定的準確性。

把X=12%、Y=0.8%代入爆炸極限計算公式得：

A=12.8%

LLA=13.14%

LHA=28.14%

A＜LLA，所以該組數(shù)據(jù)在爆炸范圍之外，與判斷簡式③、④判斷結(jié)果一致。

同樣把X=12%、Y=42%代入爆炸極限計算公式得：

A=54%

LLA=4.79%

LHA=53.36%

A＞LHA，所以該組數(shù)據(jù)在爆炸范圍之外，與判斷簡式③、④判斷結(jié)果一致。

可燃易爆混合氣體NH3和H2在空氣中的爆炸范圍判斷式為：

爆炸下限判斷式

4X+15.5Y＜62

說明：NH3、H2, 混合氣體濃度分別為X%（V）、Y%（V），代入判斷式，當4X+15.5Y的等值小于62時，該混合氣體不在爆炸極限之內(nèi)。

爆炸上限判斷式

74X+27Y＞1998

說明：NH3、H2, 混合氣體濃度分別為X%（V）、Y%（V），代入判斷式，當74X+27Y的等值大于1998時，該混合氣體不在爆炸極限之內(nèi)。

3 NH3和H2混合氣體爆炸極限判斷曲線圖

3.1 爆炸下限曲線圖

由NH3和H2混合氣體爆炸下限判斷式及曲線圖可知：

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（1）在曲線圖中X和Y曲線上的所有點都一一對應(yīng)。

（2）在NH3和H2混合氣體中，當NH3濃度值在X曲線上確定時，H2濃度值必須小于對應(yīng)Y曲線上點的值，也就是H2濃度值必須在對應(yīng)Y曲線上點的下方，該混合氣體才能在爆炸極限之外。同樣，H2濃度值在Y曲線上確定時，NH3濃度值必須在對應(yīng)X曲線上點的下方，該混合氣體才能在爆炸極限之外。

（3）在NH3和H2混合氣體中，當NH3濃度≥15.5%或H2濃度≥4%時，該混合氣體在爆炸極限之內(nèi)。

（4）該判斷式及曲線圖適合混合氣體中NH3濃度≤15.5%和H2濃度≤4%時，進行判斷是否在爆炸極限范圍。

3.2 爆炸上限曲線圖

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

由NH3和H2混合氣體爆炸上限判斷式及曲線圖可知：

（1）在曲線圖中X和Y曲線上的所有點都一一對應(yīng)。

（2）在NH3和H2混合氣體中，當H2濃度值在Y曲線上確定時，NH3濃度值必須大于對應(yīng)X曲線上點的值，也就是NH3濃度值必須在對應(yīng)X曲線上點的上方，該混合氣體才能在爆炸極限之外。同樣，NH3濃度值在X曲線上確定時，H2濃度值必須在對應(yīng)Y線上點的上方，該混合氣體才能在爆炸極限之外。

（4）該判斷式及曲線圖適合混合氣體中NH3濃度≥15.5%和H2濃度≥4%時，進行判斷是否在爆炸極限范圍

4 NH3和H2混合氣體爆炸極限判斷推導(dǎo)簡式驗證

（1）下表記錄的是6組中壓放空氣體分析樣和通過“理-查特里公式”計算的相應(yīng)混合可燃氣體爆炸極限，以及通過推導(dǎo)的上限判斷式74X+27Y＞1998計算出的對比數(shù)值。

SC07中壓放空 （NH3）,%NH3,%H2,%N2,%O2,%爆炸極限,% 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

說明：（NH3）是指當分析樣中H2一定時，通過推導(dǎo)的上限判斷式74X+27Y＞1998

計算NH3必須大于此數(shù)值，氨氫混合氣體才能出爆炸極限。

由上表可知：

1—3組放空氣體組成中可燃混合氣體NH3和H2按“理-查特里公式”計算在爆炸極限之內(nèi)；按推導(dǎo)的上限判斷式“74X+27Y＞1998”計算出的數(shù)值進行比較，氨氫混合氣體也在爆炸極限之內(nèi)。

4—6組放空氣體組成中可燃混合氣體NH3和H2按“理-查特里公式”計算在爆炸極限之外；按推導(dǎo)的上限判斷式“74X+27Y＞1998”計算出的數(shù)值進行比較，氨氫混合氣體也在爆炸極限之外。

因此，推導(dǎo)的混合氣體爆炸極限上限判斷式“74X+27Y＞1998”是成立的。

（2）下表記錄的是6組中壓放空氣體分析樣和通過“理-查特里公式”計算的相應(yīng)混合可燃氣體爆炸極限，以及通過推導(dǎo)的下限判斷式“4X+15.5Y＜62”計算出的對比數(shù)值。

SC07中壓放空 （NH3）,%NH3,%H2,%N2,%O2,%爆炸極限,% 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

說明：（NH3）是指當分析樣中H2一定時，通過推導(dǎo)的下限判斷式“4X+15.5Y＜62”計算NH3必須小于此數(shù)值，氨氫混合氣體才能出爆炸極限。

由上表可知：

1-3組放空氣體組成中可燃混合氣體NH3和H2按“理-查特里公式”計算在爆炸極限之外；按推導(dǎo)的下限判斷式“4X+15.5Y＜62”計算出的數(shù)值進行比較，氨氫混合氣體也在爆炸極限之外。

4-6組放空氣體組成中可燃混合氣體NH3和H2按“理-查特里公式”計算在爆炸極限之內(nèi)；按推導(dǎo)的高限判斷式“4X+15.5Y＜62”計算出的數(shù)值進行比較，氨氫混合氣體也在爆炸極限之內(nèi)。

因此，推導(dǎo)的混合氣體爆炸極限下限判斷式“4X+15.5Y＜62”是成立的。

5 總結(jié)

通過以上兩組判斷式或曲線圖可以便捷、準確地判斷氨汽提尿素工藝中壓尾氣NH3和H2混合氣體在空氣環(huán)境中是否發(fā)生爆炸，方便于化工生產(chǎn)操作。

[1] 袁一. 化肥工業(yè)叢書 尿素［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)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

張玉軒（1968-），男，高級工程師，遼寧省葫蘆島市人，1990年畢業(yè)于沈陽化工學(xué)院無機化工專業(yè)，從事生產(chǎn)管理工作。

2017-03-07

TQ 441

A

1004-0935（2017）05-0473-04