【文章內(nèi)容簡介】 的概念，并給出了標準燃燒熱的定義。可燃物質(zhì)燃燒爆炸時所達到的最高溫度、最高壓力和爆炸力與物質(zhì)的燃燒熱有關。物質(zhì)的標準燃燒熱數(shù)據(jù)不難從一般的物性數(shù)據(jù)手冊中查閱到。 物質(zhì)的燃燒熱數(shù)據(jù)一般是用量熱儀在常壓下測得的。因為生成的水蒸氣全部冷凝成水和不冷凝時，燃燒熱效應的差值為水的蒸發(fā)潛熱，所以燃燒熱有高熱值和低熱值之分。高熱值是指單位質(zhì)量的燃料完全燃燒，生成的水蒸氣全部冷凝成水時所放出的熱量；而低熱值是指生成的水蒸氣不冷凝時所放出的熱量。表 4—6 是一些可燃氣體的燃燒熱數(shù) 據(jù)。 表 4— 6 可燃氣體燃燒熱 第四節(jié) 爆炸及其類型 一、爆炸概述 爆炸是物質(zhì)發(fā)生急劇的物理、化學變化，在瞬間釋放出大量能量并伴有巨大聲響的過程。在爆炸過程中，爆炸物質(zhì)所含能量的快速釋放，變?yōu)閷Ρㄎ镔|(zhì)本身、爆炸產(chǎn)物及周圍介質(zhì)的壓縮能或運動能。物質(zhì)爆炸時，大量能量極短的時間在有限體積內(nèi)突然釋放并聚積，造成高溫高壓，對鄰近介質(zhì)形成急劇的壓力突變并引起隨后的復雜運動。爆炸介質(zhì)在壓力作用下，表現(xiàn)出不尋常的運動或機械破壞效應，以及爆炸介質(zhì)受振動而產(chǎn)生的音響效應。 爆炸常伴隨發(fā)熱、發(fā)光 、高壓、真空、電離等現(xiàn)象，并且具有很大的破壞作用。爆炸的破壞作用與爆炸物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)、爆炸時的條件以及爆炸位置等因素有關。如果爆炸發(fā)生在均勻介質(zhì)的自由空間，在以爆炸點為中心的一定范圍內(nèi)，爆炸力的傳播是均勻的，并使這個范圍內(nèi)的物體粉碎、飛散。 爆炸的威力是巨大的。在遍及爆炸起作用的整個區(qū)域內(nèi)，有一種令物體震蕩、使之松散的力量。爆炸發(fā)生時，爆炸力的沖擊波最初使氣壓上升，隨后氣壓下降使空氣振動產(chǎn)生局部真空，呈現(xiàn)出所謂的吸收作用。由于爆炸的沖擊波呈升降交替的波狀氣壓向四周擴散，從而造成附近建筑物的震蕩破壞。 化工裝置、機械設備、容器等爆炸后，變成碎片飛散出去會在相當大的范圍內(nèi)造成危害?；どa(chǎn)中屬于爆炸碎片造成的傷亡占很大比例。爆炸碎片的飛散距離一般可達 100～ 500 m。 爆炸氣體擴散通常在爆炸的瞬間完成，對一般可燃物質(zhì)不致造成火災，而且爆炸沖擊波有時能起滅火作用。但是爆炸的余熱或余火，會點燃從破損設備中不斷流出的可燃液體蒸氣而造成火災。 二、爆炸分類 1．按爆炸性質(zhì)分類 (1)物理爆炸 物理爆炸是指物質(zhì)的物理狀態(tài)發(fā)生急劇變化而引起的爆炸。例如蒸汽鍋爐、壓縮氣體、液化氣體過壓等引起的爆炸，都屬于物理爆炸。物質(zhì)的化學成分和化學性質(zhì)在物理爆炸后均不發(fā)生變化。 (2)化學爆炸 化學爆炸是指物質(zhì)發(fā)生急劇化學反應，產(chǎn)生高溫高壓而引起的爆炸。物質(zhì)的化學成分和化學性質(zhì)在化學爆炸后均發(fā)生了質(zhì)的變化?；瘜W爆炸又可以進一步分為爆炸物分解爆炸、爆炸物與空氣的混合爆炸兩種類型。 爆炸物分解爆炸是爆炸物在爆炸時分解為較小的分子或其組成元素。爆炸物的組成元素中如果沒有氧元素，爆炸時則不會有燃燒反應發(fā)生， 爆炸所需要的熱量是由爆炸物本身分解產(chǎn)生的。屬于這一類物質(zhì)的有疊氮鉛、乙炔銀、乙炔銅、碘化氮、氯化氮等。爆炸物質(zhì)中如果含有氧元素，爆炸時則往往伴有燃燒現(xiàn)象發(fā)生。各種氮或氯的氧化物、苦味酸即屬于這一類型。爆炸性氣體、蒸氣或粉塵與空氣的混合物爆炸，需要一定的條件，如爆炸性物質(zhì)的含量或氧氣含量以及激發(fā)能源等。因此其危險性較分解爆炸為低，但這類爆炸更普遍，所造成的危害也較大。 2．按爆炸速度分類 (1)輕爆 爆炸傳播速度在每秒零點幾米至數(shù)米之間的爆炸過程； (2)爆炸 爆炸傳播速度在每秒十米至數(shù)百米之間的爆炸過程； (3)爆轟 爆炸傳播速度在每秒 1 千米至數(shù)千米以上的爆炸過程。 3．按爆炸反應物質(zhì)分類 (1)純組元可燃氣體熱分解爆炸 純組元氣體由于分解反應產(chǎn)生大量的熱而引起的爆炸； (2)可燃氣體混合物爆炸 可燃氣體或可燃液體蒸氣與助燃氣體，如空氣按一定比例混合，在引火源的作用下引起的爆炸； (3)可燃粉塵爆炸 可燃固體的微細粉塵，以一定濃度呈懸浮狀態(tài)分散在空氣等助燃氣體中，在引火源作用下引起的爆炸； (4)可燃液體霧滴爆炸 可燃液體在空 氣中被噴成霧狀劇烈燃燒時引起的爆炸； (5)可燃蒸氣云爆炸 可燃蒸氣云產(chǎn)生于設備蒸氣泄漏噴出后所形成的滯留狀態(tài)。密度比空氣小的氣體浮于上方，反之則沉于地面，滯留于低洼處。氣體隨風漂移形成連續(xù)氣流，與空氣混合達到其爆炸極限時，在引火源作用下即可引起爆炸。 爆炸在化學工業(yè)中一般是以突發(fā)或偶發(fā)事件的形式出現(xiàn)的，而且往往伴隨火災發(fā)生。爆炸所形成的危害性嚴重，損失也較大。下面將介紹化工行業(yè)中常見的幾種爆炸類型。 三、常見爆炸類型 1．氣體爆炸 (1)純組元氣體分解爆炸 具有分解爆炸特 性的氣體分解時可以產(chǎn)生相當數(shù)量的熱量。摩爾分解熱達到80～ 120kJ 的氣體一旦引燃火焰就會蔓延開來。摩爾分解熱高過上述量值的氣體，能夠發(fā)生很激烈的分解爆炸。在高壓下容易引起分解爆炸的氣體，當壓力降至某個數(shù)值時，火焰便不再傳播，這個壓力稱作該氣體分解爆炸的臨界壓力。 高壓乙炔非常危險，其分解爆炸方程為 C2H2→ 2C(固 )+H2+226 kJ 如果分解反應無熱損失，火焰溫度可以高達 3100℃。乙炔分解爆炸的臨界壓力是 0． 14 MPa，在這個壓力以下貯存乙炔就不會發(fā)生分解爆炸。此外，乙炔類化合物也同樣具有分解爆炸危險，如乙烯基乙炔分解爆炸的臨界壓力為 0． 11 MPa，甲基乙炔在 20℃分解爆炸的臨界壓力為 0． 44 MPa，在 120℃則為 0． 31 MPa。從有關物質(zhì)危險性質(zhì)手冊中查閱到的分解爆炸臨界壓力多為 20℃的數(shù)據(jù)。 乙烯分解爆炸反應方程式為 C2H4→ C(固 )+CH4+127． 4 kJ 乙烯分解爆炸所需要的能量隨壓力的升高而降低，若有氧化鋁存在，分解爆炸則更易發(fā)生。乙烯在 0℃的分解爆炸臨界壓力是 4 MPa，故在高壓下加工或處理乙烯 ，具有與可燃氣體 — 空氣混合物同樣的危險性。 氮氧化物在一定壓力下也可以發(fā)生分解爆炸，按下述反應式進行 N2O→ N2+0． 5 O2+81． 6 kJ NO→ 0． 5N2+0． 5O2+90． 4 kJ N2O 的分解爆炸臨界壓力是 0． 25 MPa， NO 的是 0． 15 MPa，在上述條件下，90％以上可以分解為 N2和 O2。 環(huán)氧乙烷的分解反應式為 C2H4O→ CH4+CO+134． 3 kJ 2C2H4O→ CH4+2CO+33． 4 kJ 環(huán)氧乙烷的分解爆炸臨界壓力為 0． 038MPa，故環(huán)氧乙烷有較大的爆炸危險性。在 125℃時，環(huán)氧乙烷的初始壓力由 0． 25 MPa 增至 1． 2 MPa，最大爆炸壓力與初壓之比則由 2 增至 5． 6，可見爆炸的初始壓力對終壓有很大影響。 (2)混合氣體爆炸 可燃氣體或蒸汽與空氣按一定比例均勻混合，而后點燃，因為氣體擴散過程在燃燒以前已經(jīng)完成，燃燒速率將只取決于化學反應速率。在這樣的條件下，氣體的燃燒就有可能達到爆炸的程度。這時的氣體或蒸汽與空氣的混合物，稱為爆炸性混合物。例如，煤氣從噴嘴噴出以后，在火焰外層與空氣混合，這時的燃燒速率取決于擴散速率，所進行的是擴散燃燒。如果令煤氣預先與空氣混 合并達到適當比例，燃燒的速率將取決于化學反應速率，比擴散燃燒速率大得多，有可能形成爆炸?？扇夹曰旌衔锏谋ê腿紵g的區(qū)別就在于爆炸是在瞬間完成的化學反應。 在化工生產(chǎn)中，可燃氣體或蒸氣從工藝裝置、設備管線泄漏到廠房中，而后空氣滲入裝有這種氣體的設備中，都可以形成爆炸性混合物，遇到火種，便會造成爆炸事故?；どa(chǎn)中所發(fā)生的爆炸事故，大都是爆炸性混合物的爆炸事故。 燃燒的連鎖反應理論也可用于解釋爆炸。爆炸性混合物與火源接觸，便有活性原子或自由基生成而成為連鎖反應的作用中心。爆炸混合物起火后，燃燒熱和鏈鎖載體都向外傳播，引發(fā)鄰近一層爆炸混合物的燃燒反應。而后，這一層又成為熱和鏈鎖載體源引發(fā)次一層爆炸混合物的燃燒反應?；鹧媸且砸粚訉油膱A球面的形式向各個方向蔓延的。燃燒的傳播速率在距離著火點 0． 5～ 1 m以內(nèi)是固定的，每秒若干米或者更小一些。但以后即逐漸加速，傳播速率達每秒數(shù)百米 (爆炸 )，乃至每秒數(shù)千米 (爆轟 )。如果燃燒傳播途中有障礙物，就會造成極大的破壞作用。 爆炸性混合物，如果燃燒速率極快，在全部或部分封閉狀態(tài)下，或在高壓下燃燒時，可以產(chǎn)生一種與一般爆炸根本不同的現(xiàn)象，稱為爆轟。爆轟的特點是，突然 引發(fā)的極高的壓力，通過超音速的沖擊波傳播，每秒可達 20xx～ 3000 m以上。爆轟是在極短的時間內(nèi)發(fā)生的，燃燒物質(zhì)和產(chǎn)物以極高的速度膨脹，擠壓周圍的空氣?；瘜W反應所產(chǎn)生的能量有一部分傳給壓緊的空氣，形成沖擊波。沖擊波傳播速率極快，以至于物質(zhì)的燃燒也落于其后，所以，它的傳播并不需要物質(zhì)完全燃燒，而是由其本身的能量支持的。這樣，沖擊波便能遠離爆轟源而獨立存在，并能引發(fā)所到處其他化學品的爆炸，稱為誘發(fā)爆炸，即所謂的“殉爆”。 2．粉塵爆炸 實際上任何可燃物質(zhì)，當其成粉塵形式與空氣以適當比例混合時，被熱、火花、火焰點燃，都能迅速燃燒并引起嚴重爆炸。許多粉塵爆炸的災難性事故的發(fā)生，都是由于忽略了上述事實。谷物、面粉、煤的粉塵以及金屬粉末都有這方面的危險性?；?、木屑、奶粉、洗衣粉、紙屑、可可粉、香料、軟木塞、硫磺、硬橡膠粉、皮革和其他許多物品的加工業(yè)，時有粉塵爆炸發(fā)生。為了防止粉塵爆炸，維持清潔十分重要。所有設備都應該無粉塵泄漏。爆炸卸放口應該通至室外安全地區(qū)，卸放管道應該相當堅固，使其足以承受爆炸力。真空吸塵優(yōu)于清掃，禁止應用壓縮空氣吹掃設備上的粉塵，以免形成粉塵云。 屋頂下裸露的管線、橫梁和其他突出部分 都應該避免積累粉塵。在多塵操作設置區(qū)，如果有過頂?shù)墓芫€或其他設施，人們往往錯誤地認為在其下架設平滑的頂板，就可以達到防止粉塵積累的效果。除非頂板是經(jīng)過特殊設計精細安裝的，否則只會增加危險。粉塵會穿過頂板沉積在管線、設施和頂板本身之上。一次震動就足以使可燃粉塵云充滿整個人造空間，一個火星就可以引發(fā)粉塵爆炸。如果管線不能移裝或拆除，最好是使其裸露定期除塵。 為了防止引發(fā)燃燒，在粉塵沒有清理干凈的區(qū)域，嚴禁明火、吸煙、切割或焊接。電線應該是適于多塵氣氛的，靜電也必須消除。對于這類高危險性的物質(zhì)，最好是在封閉系 統(tǒng)內(nèi)加工，在系統(tǒng)內(nèi)導入適宜的惰性氣體，把其中的空氣置換掉。粉末冶金行業(yè)普遍采用這種方法。 3．熔鹽池爆炸 熔鹽池爆炸屬于事后搶救往往于事無補的災難性事件，大多是由于管理和操作人員對熔鹽池的潛在危險疏于認識引起的。機械故障、人員失誤、或者兩者的復合作用，都有可能導致熔鹽池爆炸。現(xiàn)把熔鹽池危險匯總?cè)缦隆? (1)工件預清洗或淬火后攜帶的水、鹽池上方輔助管線上的冷凝水、屋頂?shù)臐B漏水、自動增濕器的操作用水、甚至操作人員在鹽池邊溫熱的液體食物，都有可能造成蒸氣急劇發(fā)生，引發(fā)爆炸。 (2)有砂眼的鑄件、管道和封閉管線、中空的金屬部件，當其浸入熔鹽池時，其中阻塞和淤積的空氣會突然劇烈膨脹，引發(fā)爆炸。 (3)硝酸鹽池與毗鄰滲碳池的油、炭黑、石墨、氰化物等含碳物質(zhì)間的劇烈的難以控制的化學反應，都有可能誘發(fā)爆炸。 (4)過熱的硝酸鹽池與鋁合金間的劇烈的爆發(fā)性的反應也可能引起爆炸。 (5)正常加熱的硝酸鹽池和不慎掉入池中的鎂合金間會發(fā)生爆炸反應。 (6)落人鹽池中的鋁合金和池底淤積的氧化鐵會發(fā)生類似于鋁熱焊接的反應。 (7)鹽池設計、制造和安裝的結(jié)構失誤會縮短鹽池的正常壽命，鹽池的 結(jié)構金屬材料與硝酸鹽會發(fā)生反應。 (8)溫控失誤會造成鹽池的過熱。 (9)大量硝酸鈉的貯存和管理，廢硝酸鹽不考慮其反應活性的處理和貯存，都有一定的危險性。 (10)偶爾超過安全操作限的控溫設定，也會有一定的危險性。 第五節(jié) 爆炸極限理論與計算 一、爆炸極限理論 可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物，并不是在任何組成下都可以燃燒或爆炸，而且燃燒 (或爆炸 )的速率也隨組成而變。實驗發(fā)現(xiàn)，當混合物中可燃氣體濃度接近化學反應式的化學計量比時，燃燒最快、最劇烈。若濃度減小或增加，火焰蔓延速率則降低 。當濃度低于或高于某個極限值，火焰便不再蔓延。可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物能使火焰蔓延的最低濃度，稱為該氣體或蒸氣的爆炸下限；反之，能使火焰蔓延的最高濃度則稱為爆炸上限?？扇細怏w或蒸氣與空氣的混合物，若其濃度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不會著火或爆炸。 爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合氣體中的體積百分數(shù)表示，有時也用單位體積可燃氣體的質(zhì)量 (kg m— 3)表示?；旌蠚怏w濃度在爆炸下限以下時含有過量空氣，由于空氣的冷卻作用，活化中心的消失數(shù)大于產(chǎn)生數(shù)，阻止了火焰的蔓延。若濃度在爆炸上限以上，含有過量的可燃氣體，助燃氣體不足，火焰也不能蔓延。但此時若補充空氣，仍有火災和爆炸的危險。所以濃度在爆炸上限以上的混合氣體不能認為是安全的。 燃燒和爆炸從化學反應的角度看并無本質(zhì)區(qū)別。當混合氣體燃燒時，燃燒波面上的化學反應可表示為 A+B→ C+D+Q (4— 1) 式中 A、 B 為反應物； C、 D 為產(chǎn)物； Q 為燃燒熱。 A、 B、 C、 D 不一定是穩(wěn)定分子，也可以是原子或自由基。