【主題文章】- 可燃性氣體及爆炸極限

爆炸極限指可燃性氣體與空氣在一定溫度下混合時,其體積之濃度分率必須在某一範圍內才可以爆炸或燃燒。一般來說,溫度升高時,爆炸上限變大,爆炸下限變小,即可燃範圍變大;而壓力變大時,可燃範圍也會跟著增大。

認識可燃性氣體與爆炸極限的關係為今日的課題,讓我們配合著爆炸的計算一起細啃這篇章節吧!

法源

可燃性氣體

1️⃣ 高壓氣體勞工安全規則第4條
◾ 爆炸下限在百分之十以下
◾ 爆炸上限與下限之差在百分之二十以上之氣體。
◾ 包含:
▫ 氨、氫、苯、氰化氫、硫化氫、一氧化碳、二硫化碳
▫ 甲烷、甲胺、二甲醚、二甲胺、三甲胺、氯甲烷、溴甲烷
▫ 乙炔、乙醛、乙烷、乙胺、乙苯、乙烯、氯乙烷、氯乙烯、環氧乙烷
▫ 丙烯腈、丙烯醛、丙烷、丙烯、環丙烷、環氧丙烷
▫ 丁二烯、丁烷、丁烯

2️⃣ 職業安全衛生設施規則第15條
本規則所稱可燃性氣體,指下列危險物:
◾ 氫
◾ 乙炔、乙烯
◾ 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷
◾ 其他於一大氣壓下、攝氏十五度時,具有可燃性之氣體

計算

依據勒沙特列定律推算爆炸上下限及爆炸危險性及理論換氣值

▍爆炸極限

1️⃣ 爆炸上限(UEL):引起燃燒之最高體積百分比

2️⃣ 爆炸下限(LEL):
引起燃燒之最低體積百分比

3️⃣ 勒沙特列定律:化學平衡是動態平衡
◾ 混合氣體爆炸上限(UEL)=100 %÷(V1 ÷UEL1 + V2 ÷UEL2 + V3 ÷UEL3 +…)

◾ 混合氣體爆炸下限(LEL)=100 %÷(V1 ÷LEL1 + V2 ÷LEL2 + V3 ÷LEL3 +…)

4️⃣ 可燃性氣體危險性指標(H): H越大越危險
▫ H = 爆炸範圍÷爆炸下限濃度 =(爆炸上限濃度-爆炸下限濃度)÷ 爆炸下限濃度

應用

1️⃣ Jones 理論:可燃性物質之爆炸下限為其理論混合比例值 Cst 之 0.55 倍
◾ Cst = 1 ÷〔 1 + 氧分子的莫爾數 ÷(100÷21)〕
▫ 寫出類題可燃性物質與氧氣生成二氧化碳和水的生成式
▫C、H、O左右進行化學平衡,即左右元素總數要一樣,依此得出氧分子的莫爾數

2️⃣ 理論空氣量及理論換氣量
◾ 計算每小時消費量 ÷ 分子量
◾ 理論氧氣量(莫耳/每小時)=(每小時消費量 ÷ 分子量 )× 氧氣莫耳數
◾ 理論空氣量(莫耳/每小時)= 理論氧氣量 ×(100÷21 )
(m3/每小時) = 理論氧氣量 ×(100÷21 )× 24.45L/莫耳數 ⚠ m3 =1000L
▫理論換氣量(Q)=〔 24.45 ×10 3×W(g/ hr)〕÷〔 60×M×(PEL-TWA)〕
▫W:有機溶劑消費量
▫M:有機溶劑分子量
▫ PEL-TWA:8 小時時量平均容許濃度(ppm)=爆炸下限(%)× 104×0.3
⚠ 法規限制為百分之三十 (職業安全衛生設施規則第177條)

▍ 爆炸

指壓力快速產生,並釋放至周圍壓力較低之環境,因氣體快速膨脹,擠壓空氣或容器壁摩擦,發出聲響,通常造成破壞

火災爆炸因素及危險性

1️⃣ 越大越危險
◾ 燃燒範圍(爆炸範圍):一定條件下,可以發生反應(燃燒反應)之燃燒濃度範圍、如發生爆炸,又稱為爆炸範圍。
◾ 蒸氣壓:物質的氣相與其非氣相達到平衡狀態時的壓力
◾ 燃燒速度
◾ 燃燒熱:物質與氧氣進行完全燃燒反應時放出的熱量
◾ 火焰傳播速度


2️⃣ 越小越危險
◾ 燃燒下限(爆炸下限):易燃液體蒸氣或可燃性氣體與空氣混合,遇到火源可以引起燃燒或爆炸的最低體積百分比
◾ 閃火點:液體之液面產生足夠之蒸氣可以在空氣中予以點火時發生閃火之最低溫度
◾ 著火點:使物質能夠持續燃燒的最低溫度
◾ 沸點:指物質沸騰時的溫度,更嚴格的定義是液體成為氣體的溫度
◾ 導電性
◾ 最小著火能量:可燃物質發生燃燒或爆炸所需之最小能量

爆炸之特性

1️⃣ 物理性爆炸
◾ 爆炸現場通常無燃燒痕跡,並且傷者衣服無大面積燃燒痕跡
◾ 例如:輪胎爆炸、突沸(BLEVE)「沸騰液體膨脹蒸氣爆炸」、水蒸氣爆炸等

2️⃣ 化學性爆炸
◾ 爆炸現場有燃燒之痕跡,且傷者有大面積燃燒痕跡
◾ 例如:氣體爆炸、霧滴爆炸、粉塵爆炸、分解爆炸、聚合爆炸、開放空間蒸氣雲爆炸(UVCE)等
▫ 緩慢的化學性爆炸:爆燃(deflagration)
▫ 劇烈的化學性爆炸:爆轟(detonation)


3️⃣ 物理化學性爆炸
◾ 同時或順序發生物理及化學性爆炸
◾ 例如:下述兩部分緊接著發生
▫ 物理性:液化氣體壓力低於臨界壓力或溫度升高至臨界溫度之上,因無法維持液體狀態,急速蒸發使體積膨脹造成突沸(BLEVE)「沸騰液體膨脹蒸氣爆炸」
▫ 化學性:若第二項氣體可燃,當其接觸外部火源後會發生開放空間蒸氣雲爆炸(UVCE),形成火球

可燃性氣體、儲槽及製造設備


牛刀小試

💡 了解了關於可燃性氣體及爆炸界線的小資訊,進一步讓我們來考考你,看你會不會!

牛刀小試 | 試題

牛刀小試 | 答案

答案 :

參考本文中爆炸極限-勒沙特列原理之公式
(1) 依勒沙特列(Le Chatelier)定律此混合氣體在空氣中的爆炸下限(LEL)=2.07%
(2) 依勒沙特列(Le Chatelier)定律此混合氣體在空氣中的爆炸上限(UEL)=9.24%

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延伸閱讀

1️⃣【核心概念卡】- 四大類火災與適用之滅火器
2️⃣【核心概念卡】- 危險物與「有害物」
3️⃣【知識理論篇】─ 主題系列文章:爆炸性環境與危險區域劃分

參考資料

1️⃣ 高壓氣體勞工安全規則
2️⃣ 火災爆炸預防 – 勞動部職業安全衛生署

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