爆炸与防爆基本原理课件.ppt
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1、第二章 爆炸与防爆基本原理,环境科学与工程学院2012年春,第三部分 爆炸,3-1 爆炸机理3-2 爆炸极限计算 3-3 防爆技术基本理论,爆炸机理,一、爆炸及其分类1、爆炸的特征(1)定义:指物质在瞬间以机械功的形式释放出大量气体和能量的现象。(2)内部特征:大量气体和能量在有限体积内突然释放或急骤转化,并在极短时间内,在有限体积中积聚,造成高温高压。(3)外部特征:对周围物体形成急剧突跃压力的冲击,或者造成机械性破坏效应,以及周围介质受震动而产生的声响效应。(4)主要特征:压力的瞬间急剧升高。,2、爆炸的分类(1)物理性爆炸:物理变化(温度、体积和压力等)引起的,物质性质和化学成分均不变,
2、如锅炉爆炸、水汽爆炸等;(2)化学性爆炸:指物质在短时间内完成化学变化,形成其它物质,同时产生大量气体和能量的现象,如硝化棉爆炸(V增大47万倍);1)可燃物质化学爆炸的条件(a)存在着可燃物质,包括可燃蒸气、气体或粉尘;(b)可燃物质与空气混合并达到爆炸极限,(c)点火源或点火能量。以上三个条件须同时具备,爆炸才可能发生。,2005年11月13日吉林石化双苯厂车间爆炸,2)基本特征:高速度(化学反应)大量气体 大量热量(3)核爆炸:原子核发生裂变或聚变反应时,释放出巨大的能量而发的爆炸,如原子弹、氢弹等。,核弹爆炸,3、按爆炸反应的相不同分类(1)气相爆炸:混合气体爆炸、气体的分解爆炸、粉尘
3、爆炸和喷雾爆炸等。(2)液相爆炸:聚合爆炸、蒸发爆炸和液体混合所引起的爆炸等。(3)固相爆炸:爆炸性化合物及其他爆炸性物质的爆炸,导线爆炸。,4、按爆炸的瞬时燃烧速度不同分类(1)轻爆:每秒数米,爆炸无多大破坏力,声响也不大,如无烟火药;(2)爆炸:每秒十几米至数百米,爆炸时压力激增,有较大的破坏力,有震耳的响声。一般可燃性气体爆炸属于此类;(3)爆轰:10007000m/s,“冲击波”;爆轰是炸药中化学反应区的传播速度大于炸药中声速时的爆炸现象,是炸药典型的能量释放形式(每千克炸药爆轰瞬间输出功率可达5107千瓦),以爆轰波形式沿炸药药柱高速进行的过程。,爆轰波通过冲击波传播,速度达上千到数
4、千米每秒,超过炸药中的音速,且外界条件对爆速的影响较小。爆轰还可以引起“殉爆”;殉爆是指装药的爆炸能引起与其相距一定距离的被惰性介质隔离的装药的爆炸,5、爆炸的破坏作用(1)冲击波:造成对附近建筑物的破坏;(2)碎片冲击:各种碎片飞散而造成的伤害,飞散距离可达100-500m;(3)震荡作用:短暂的地震波;(4)造成二次事故:如高空作业人员受冲击 波或震荡作用,会造成高空坠落事故。,分解爆炸,1、气体的分解爆炸:在高温、压力等作用下的分解反应,会释放相当数量的热量,从而给爆炸提供了所需的能量,如C2H2、C2H4。【例1】乙炔(C2H2)爆炸:(1)受热或受压易发生聚合、加成、取代和爆炸性分解
5、化合反应,当受热到200300,开始发生聚合反应:3 C2H2C6H6+630J/mol(2)当T=700,压力P0.15Mpa,未聚合的C2H2发生爆炸性分解(P剧升10-13倍):C2H22C+H2+226.04J/mol,分解爆炸的临界压力:指在高压下容易分解爆炸的气体,当压力降至某数值时,就不再发生分解爆炸。如乙炔为0.14Mpa,N2O为0.25Mpa,NO为0.15Mpa,C2H4在0时为4Mpa等。2、简单分解的爆炸性物质:该类物质很不稳定,受摩擦、撞击,甚至轻微震动都可能发生爆炸,爆炸时分解为元素,并在分解过程中,产生热量,如乙炔银(Ag2C2)、乙炔铜(Cu2C2)、碘化氮等
6、。【注】与乙炔接触的设备零件,不得用含铜量超过70%的铜合金制作。,3、复杂分解的爆炸性物质:硝化甘油的分解爆炸反应式:4C3H5(ONO2)3=12CO2+10H2O+O2+6N2+Q 硝化甘油是一种有甜味的黄色油状液体,熔点为13.2C,是用纯甘油为原料,用浓硝酸和浓硫酸组成的混合酸进行硝化反应制得。硝化甘油爆炸时,最高温度可达3400C。硝化棉与硝化甘油(重量比约为1:13)混合成的胶状爆胶,是已知烈性炸药中爆炸力最强的,约为三硝基甲苯TNT的1.5倍,常用作比较炸药效力的标准之一,它对撞击不敏感,使用、运输和储存都比较安全,是采石和挖掘隧道等作业的理想爆破炸药。常用的硝酸酯类炸药还有:
7、硝化乙二醇、季戊四醇四硝酸酯、甘露醇六硝酸酯和硝化淀粉等。,可燃性混合物爆炸,1、燃爆特性:(1)可燃性混合物:指由可燃性物质与助燃物组成的爆炸性物质,如可燃气体、蒸气和空气混合。(2)可燃性混合物为有爆炸危险的物质,它们只有在适当的条件下才会变为危险的物质。2爆炸极限(1)定义:即是指可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(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的浓度范围。可燃气体与蒸气以体积百分比来表示,如CO与空气12.5%-80%;,粉尘以单位体积混合物中的质量数(g/m3)如铝粉为40(g/m3);(2)爆炸下限与上限:其爆炸范围越宽,其爆炸危险越大。
8、,燃烧与化学性爆炸的关系,1、共同点:(1)他们的本质相同,均为可燃物的氧化反应,都要具有可燃物、氧化剂和火源三种基本因素。(2)两者可随条件而转化;2、区别:(1)氧化的速度,V爆V燃(主要区别);(2)发展过程显著不同,火灾有初起、发展和衰弱阶段,造成的损失随时间的延续而加重,但爆炸发生在一瞬间,一旦发生,损失已无从减免。,五、爆炸反应历程,1、爆炸混合物:指可燃气体、蒸气或粉尘预先与空气均匀混合并达到爆炸极限的混合物。2、热反应机理:即当燃烧在某一空间内进行时,若散热不良,则会使反应温度不断提高,温度提高又会加快反应速度,如此循环进展,而导致爆炸的发生。,3、链式反应机理:爆炸性化合物与
9、火源接触,就产生活性分子或成为连锁反应的活性中心,随后(着火后),热以及活性中心都向外传播,促使邻近的一层混合物起化学反应,然后该层又成了热和活性中心的源泉而引起另一层混合物反应,如此循环,直至全部爆炸性混合物反应完为止。爆炸时,火焰是一层层同心圆球面的形式向外传播的。T混气V链n游离基N分支数N链中断数V链=V混气自行着火爆炸,爆炸极限计算,一、爆炸完全反应浓度计算1、可燃物质的完全反应浓度:理论上完全燃烧时在混合物中该可燃物质的含量。可依据为化学反应方程式来计算;(1)公式推导:假设可燃气体或蒸气分子式为CHO,设燃烧1mol气体所必需的氧的物质的量为n,则燃烧反应式可写为:CHO+nO2
10、生成气体 若取空气中氧气的浓度为20.9%,则在空气中可燃气体完全反应的浓度X(%)为:,2-1 则在氧气中可燃气体完全反应浓度为X0(%),即:2-2 在完全燃烧的情况下,燃烧反应式为:CHO+nO2CO2+0.5H2O 式中:2n=2+0.5-根据2n的数值,可查表2-5可直接查出可燃气体或蒸气在空气(或氧化)中完全反应的浓度。,例2:试分别求H2、CH3OH、C3H8、C6H6在空气中和氧气中完全反应浓度。(1)根据分子式,用公式2n=2+0.5-求出2n值:H2 2n=0+20.5-0=1CH3OH 2n=21+0.54-1=3C3H8 2n=23+0.58=10C6H6 2n=26+
11、0.56=15(2)公式法:将n数值分别代入式2-1与2-2可得:(3)查表法:根据2n数值查表2-5可得:X(H2)=29.5%X0(H2)=66.7%X(CH3OH)=12%X0(CH3OH)=40%X(C3H8)=4%X0(C3H8)=16.7%X(C6H6)=2.7%X0(C6H6)=11.76%,二、爆炸极限的计算 可燃气体和可燃蒸气的爆炸极限可用专门仪器测定出来,或用经验公式算出来:1、据完全燃烧反应所需的氧原子数计算:(1)爆炸下限:Lx=(2)爆炸上限:Ls=Lx可燃性(气体)混合物爆炸下限,%;Ls可燃性(气体)混合物爆炸上限,%;N每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数。,例
12、3 试求乙烷在空气中爆炸浓度上限和下限。(1)列写燃烧方程式:2C2H6+7O2=4CO2+6H2O(2)求N值 N=7(3)将N值带入上式中,分别求得:Lx=3.38%Ls=10.7%2、爆炸性混合气依据完全燃烧时的浓度,以此来计算:Lx=0.55X X为完全燃烧时的浓度 习题1 试求甲烷在空气中的爆炸浓度上限和下限。解:CH4+2O2CO2+2H2O,(Lx=5.2%Ls=14.7%)【注】该公式用于计算链烷烃类,与实验值比,误差10%,三、多种可燃气体组成混合物的爆炸极限 2-7式中:Lm-爆炸性混合气体的爆炸极限,%;L1、L2、L3-组成混合气体各组分的爆炸极限,%;V1、V2、V3
13、-各组分在混合气体中的浓度,%。(V1+V2+V3+Vn=100%)例4 某种天然气的组成如下:甲烷80%,乙烷15%,丙烷4%,丁烷1%。各组分的爆炸下限分别为5%,3.22%,2.37%和1.86%,则该天然气的爆炸下限为:=4.37%,习题2:试求该天然气的爆炸上限。【注】适用于煤气、水煤气和天然气等。四、含有惰性气体的多种可燃气体混合物爆炸极限(1)先求出混合物中由可燃气体和惰性气体分别组 成的混合比;(2)再从相应的比例图中(图2-3,2-4,)查出它们的爆炸极限,(3)将各组份的爆炸极限代入式2-11即可。【注】工程应用上一般多种可燃气体组成混合物与含有惰性气体的多种可燃气体混合物
14、得爆炸极限,直接用仪器来测量获得(爆炸极限测定仪器)。,6、爆炸危险度=Lx爆炸下限浓度;LS爆炸上限浓度;LS越大,LX越小,则爆炸危险度越高。,五、爆炸极限的应用1、区分可燃物质的爆炸危险程度,从而用(尽可能)爆炸危险性小的物质代替爆炸危险性大的物质;2、爆炸极限可作为评定和划分可燃物危险的标准;3、根据爆炸极限选择防爆电机和电器;4、确定建筑物的耐火等级、层数和面积等;5、根据危险性的不同,在确定安全操作规程以及研究防爆技术措施,采取相应的有效措施,以确保安全。,可燃气体(蒸气)的爆炸极限不是一个固定的常数,而是受许多因素的影响而变化的。1)初始温度2)初始压力3)氧气含量4)惰性介质5
15、)容器6)外热源种类、强度,可燃气体爆炸极限的影响因素,4、可燃气体爆炸极限的影响因素(1)初始温度 可燃性混合气的初始温度升高,使爆极限范围增大,即爆炸下限降低,上限增高。这是因为温度升高,会使反应物分子的活性增大,因而反应速度加快,反应时间缩短,导致反应放热速率增加,散热减少,使爆炸反应容易发生。,(2)初始压力 初始压力对爆炸极限有影响,在高压下影响比较明显,但情况比较复杂,必须实测。一般来说,压力增高,爆炸极限范围扩大。因为压力增高,使分子间距缩小,碰撞几率增高,使烧燃反应更为容易。从实验得知:压力增高时,爆炸下限降低不太明显,上限增高较多。,(3)氧含量 混合气中氧含量增加,一般对爆
16、炸下限影响不大,因为在下限浓度时氧气对可燃气是过量的。由于在上限浓度时氧含量相对不足,所以增加氧含量会使上限显著增高。例如甲烷在空气中的爆炸极限范围为5.0-15.0,而在纯氧气中,爆炸极限范因为5.0-61.0。,(4)惰性气体含量及杂质 若在可燃混合气中加入惰性气体,将使其爆炸范围缩小,当惰性气体含量逐渐增多达到一定浓度时,可使混合气不爆炸。这是因为加入惰性气体后,其分子会使可燃气分子与氧分子隔离,在二者间形成一道屏障。当活化分子撞击惰性气体分子时,则会减少或失去活化能,因而使反应链中断。若某处已经着火,则放出的热量会被惰性气体吸收,热量不能积聚,对燃烧起到抑制的作用。,(5)容器的尺寸及
17、材质 若容器材质的传热性能好,尺寸又小到一定程度,则由于器壁的热损失较大,要达到能使可燃气燃烧的最低温度,就需增加反应的发热量,导致爆炸范围缩小。容器大小对爆炸极限的影响也可从器壁效应得到解释。随着管径的减小,自由基与管壁碰撞的几率相应增大,当管径减小到一定程度时,则因自由基(与器壁相撞)销毁速度大于自由基产生速度,而使燃烧,爆炸不能进行。有时容器材质对爆炸极限也有影响。某些材料对可燃气爆炸有催化作用,某些材料有钝化作用。例如氢和氟在玻璃容器中混合、甚至在液态空气的低温下于黑暗中也能爆炸;而在银制容器中,常温下才能反应。,(6)点火源 增高点火源的能量,增大火源的表面积和延长火源与混合物的接触
18、时间都会使可燃气爆炸范围增大。以甲烷与空气的混合气为例:当电火花能量为1mJ时,其爆炸极限范围为6-15,当点火火花能量为10mJ时,其炸爆范围为4.9-15,当点火能量高到一定程度时,爆炸极限就趋近于一个稳定值。所以,一般情况下,测定混合气爆炸极限时应采用较高的点火能量。,(7)其它因素 除以上影响因素外,光对爆炸极限也有影响。众所周知,在黑暗中氢与氯反应十分缓慢,但在强光下则会导致爆炸。又如甲烷和氯气混合,在黑暗中长时间内不发生反应,但在日光照射下,便会引起激烈的反应,如果两种气体的比例适当则会发生爆炸。,爆炸温度和爆炸压力,一、爆炸温度的计算1、根据反应热计算例 试求乙醚与空气的混合的爆
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