第三章 爆炸基本原理1

第3章爆炸基本原理3.1爆炸及其分类3.2可燃气体爆炸3.3爆燃及爆轰3.4蒸气云爆炸3.5沸腾液体扩展蒸汽爆炸3.6喷雾爆炸3.7粉尘爆炸3.8爆炸温度、压力和强度3.1爆炸及其分类3.1.1爆炸概述爆炸的特征内部特征：气体和能量在极短时间和有限体积内产生、积累，造成高温、高压。外部特征：对外部形成急剧突跃的压力的冲击，造成机械性破坏作用，周围介质受振动产生声响。3.1.1爆炸概述爆炸的破坏作用冲击波：直接的、主要的破坏力量冲击波是爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、压缩周围空气形成的高压气浪。它以超音速向四周传播，随距离的增加，传播速度逐渐减慢，压力逐渐减小最后变成声波。破片：容器发生粉碎性的爆炸，碎片冲击将造成大面积的伤亡。震荡：爆炸使物体产生震荡，造成建筑物松散、开裂。二次破坏：引起房屋倒塌、火灾、有害物质泄漏引起的中毒和环境污染等进一步伤害。瑞典鲍弗斯公司硝化甘油爆炸事故对周围建筑物的破坏项目0~50m100~200m100~200m200~300m1混凝土建筑物—明显裂缝，10%墙灰损坏轻度损坏，较小裂缝轻度破坏2砖建筑物—严重裂纹，25%墙灰损坏严重损坏15%墙灰损坏轻微裂缝，5%墙灰损坏3木建筑物—完全损坏30%损坏15%损坏4带有板衬和钢框架的建筑物——板衬80%框架40%损坏板衬50%、框架5%损坏5带有石棉水泥衬和钢或木框架的建筑物——100%石棉水泥衬90%框架5%损坏6玻璃损坏100%100%100%75%瑞典鲍弗斯公司硝化甘油爆炸事故对周围建筑物的破坏项目0~50m100~200m100~200m200~300m7窗框、钢格100%50%60%40%8木床框和木玻璃件100%50%60%40%9门、防火门100%50%60%35%10木门100%50%60%35%11架空蒸汽管完全会毁坏防护板100%，保温层50%损坏——12架空高压线—断线——超压Δp/MPa对建筑物破坏作用超压Δp/MPa对建筑物破坏作用0.005-0.006门、窗玻璃部分破碎0.10-0.20防震钢筋混凝土坏，小房屋倒塌0.006-0.015受压面的门窗玻璃大部分破碎0.20-0.30大型钢架结构破坏0.015-0.02窗框损坏超压Δp/MPa对人体伤害作用0.02-0.03墙裂缝0.02-0.03轻微损害0.04-0.05墙大裂缝，屋瓦掉下0.03-0.05听觉器官损伤或骨折0.06-0.07木建筑厂房方柱折断、房架松动0.05-0.10内脏严重损伤或死亡0.07-0.10砖墙倒塌0.10大部分人员死亡冲击波超压对建筑物的损坏和对人体的伤害作用遵义一炼铁厂剧烈爆炸8名工人被烧伤,强烈冲击波震裂周围民房3.1.2爆炸分类按爆炸能量来源物理爆炸化学爆炸核爆炸日本广岛、长崎；切尔诺贝利、福岛核电站都是石墨爆炸物理爆炸物质因状态或压力发生突变而形成的爆炸。锅炉爆炸压缩气体液化气体超压爆炸等化学爆炸简单分解爆炸——爆炸但并不一定燃烧叠氮铅、乙炔银、乙炔铜、碘化氮、氯化氮复杂分解爆炸——爆炸伴随燃烧，分解时提供O2炸药爆炸性混合物爆炸极普遍按反应相气相爆炸液相爆炸固相爆炸3.1.2爆炸分类3.1.2爆炸分类气相爆炸气体分解爆炸纯组分气体出于分解反应产生大量的热而引起的爆炸可燃气体混合物爆炸可燃气体或可燃液体蒸气与助燃气体，如空气按一定比例混合，在引火源的作用下引起的爆炸；•受约束的•不受约束的可燃粉尘爆炸可燃固体的微细粉尘，以一定浓度呈悬浮状态分散在空气等助燃气体中，在引火源作用下引起的爆炸；可燃液体雾滴爆炸可燃液体在空气中被喷成雾状，剧烈燃烧时引起的爆炸；可燃蒸气云爆炸可燃蒸气云产生于设备蒸气泄漏喷出后所形成的滞留状态。密度比空气小的气体浮于上方，反之则沉于地面，滞留于低洼处。气体随风漂移形成连续气流，与空气混合达到其爆炸极限时，在引火源作用下即可引起爆炸。3.1.2爆炸分类液相爆炸聚合爆炸蒸汽爆炸液相炸药爆炸3.1.2爆炸分类固相爆炸爆炸性物质爆炸固体物质混合爆炸电缆爆炸按爆炸速度轻爆传播速度几十厘米~几米/秒。爆炸传播速度十米~数百米/秒。爆轰一千米~数千米/秒。3.1.2爆炸分类化学爆炸三阶段化学爆炸的三阶段第一阶段，物质受到外界激发发生高速化学反应，释放出大量热能和生成大量气体；第二阶段，热能加热气体产物，以一定的形式(定容、绝热)转化为压缩能；第三阶段，强压缩能急剧绝热膨胀对外作功，使周围物质变形、移动或破坏。化学爆炸三要素（1）放热CuC2O4=Cu+2CO2+23.8kJHgC2O4=Hg+2CO2+75.7kJ（2）快速（3）生成大量气体3.2可燃气体爆炸3.2.1单一气体分解爆炸例：乙炔受热受压聚合3C2H2→C6H6+630kJ/mol当温度达到700℃，压力超过0.15MPa时，未聚合乙炔分子发生爆炸分解：3C2H2→2C+H2+226.04kJ/mol3.2.1单一气体分解爆炸影响因素压力：一般增加压力容易发生分解爆炸，每种物质有一临界压力。温度：温度升高容易发生分解爆炸。点火能：点火能随温度和压力升高而降低。易爆气体：乙炔及乙炔系物质、乙烯、丙烯、臭氧、环氧乙烷、四氟乙烯、一氧化氮、二氧化氮等。3.2可燃气体爆炸3.2.2混合气体爆炸容器（室）内/外可燃性气体混合系爆炸是化工类企业最常见的爆炸事故，非常容易造成重大损失。包括：可燃气体容器内进入空气、氧气等引发爆炸；可燃气体燃烧中断引发爆炸；气体或挥发性液体泄漏在室内或低洼、不通风处积累引起爆炸；易燃气体或挥发性液体大量泄漏于室外形成气云爆炸（VCE）。……化工装置内爆炸模式、发生机理和发生条件以及事故描述序号爆炸致因发生机理发生条件相关事故或事故描述1空气进装置空气进入装置，与装置内物料形成爆炸性混合气体遇明火发生爆炸1965年9月2日，江苏省无锡市焦化厂苯酐精制釜排渣过程中进入空气，苯酐渣料中的低燃物产生火源而发生爆炸。2配气错误配气错误，形成爆炸性混合物自燃发生爆炸1964年1月29日，湖南省株州市化工聚氯乙烯聚合釜，操作工误用空气代替氮气，引起氯乙烯自燃而发生爆炸。序号爆炸致因发生机理发生条件相关事故或事故描述3惰化处理失效惰化处理失效，成爆炸性混合系在高温表面作用下燃爆同上4料层液封破坏料层液封失效，致使空气与物料混合，形成爆炸性混合物遇明火或高温气体而发生爆炸1982年4月17日，辽宁省铁岭市铁岭化工造气车间洗气箱由于腐蚀出现裂纹，失去水封作用，导致空气与半水煤气混合形成爆炸性混合物。序号爆炸致因发生机理发生条件相关事故或事故描述5新生爆炸混合系设备或工艺不完善，形成新生爆炸混合系在高温表面作用下发生化学爆炸1982年6月14日，广西壮族自治区仓吾县仓吾氮肥厂造气车间煤气发生炉排出的煤渣由喷水降温生成水煤气与空气的混合物，在炽热煤渣作用下发生爆炸。6隔断阀（膜）失效隔断阀（膜）失效，致使可燃性气体与助燃性气体混合，生成爆炸性混合系在一定温度条件下发生化学爆炸1981年11月2日，浙江省衢州化学工业公司电化厂烧碱车间电解槽隔膜破裂，氢气大量进入氯气系统发生化学爆炸事故。序号爆炸致因发生机理发生条件相关事故或事故描述7气体倒流由于压差原因，气体倒流回装置，形成爆炸性混合物遇明火发生爆炸1967年8月8日，上海市川沙化肥厂洗涤塔内煤气倒流到水管，再点火时，遇明火发生爆炸。8燃烧中断燃料继续第1批料未反应完的情况下又投第2批料，不能及时泄压，导致憋压未采取相应降温降压措施1960年3月1日，天津油漆厂有机硅反应釜第一批料未反应完，又加第二批料，致使釜内反应剧烈，压力升高，因防爆膜被石棉垫堵塞而造成爆炸。序号爆炸致因发生机理发生条件相关事故或事故描述9排空、泄压系统失效排空、泄压系统失效，导致装置内高压来不及泄放，造成憋压在无相应应急措施情况下发生爆炸同上10装置内物系热分解装置内物料在一定条件下剧烈分解，产生高压，引起爆炸未采取相应降温降压措施1967年2月3日，浙江省杭州市杭州农药厂甲基1605车间由于1#甲基1605原油计量槽受热产生高温，致使甲基1605原油在高温下分解爆炸。序号爆炸致因发生机理发生条件相关事故或事故描述11无冷却降温系统或失效液体高热，产生高压在无相应降温降压处理措施情况下发生爆炸1966年5月27日，山西省大同市山西化工厂氯丁单体车间油漆加热釜由于操作工先开蒸汽阀，未开真空阀，致使釜内油漆过热，压力激增，发生爆炸。12设备腐蚀,形成裂缝设备腐蚀穿孔，直接从裂缝进入装置内，发生化学反应爆炸剧烈反应造成憋压，且无泄放装置设备腐蚀形成裂缝，造成反应混合系，反应产生高压，发生爆炸。1、定义：可燃气体或蒸气与空气（氧）组成的混合物在点火之后可以使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限（也称燃烧下限）；同理，能使火焰蔓延的最高浓度称为爆炸上限（也称燃烧上限）。当浓度低于下限时，空气过剩，空气的冷却作用阻碍火焰的蔓延。当浓度高于上限时，空气不足，火焰也不能蔓延。可燃气体爆炸极限的表示方式：通常用混合物可燃气体的体积百分数，有时用单位体积中可燃物的质量表示。当可燃气体含量稍多于完全燃烧的化学计量比时，燃烧最快，最激烈。3.2.3爆炸极限甲苯爆炸事故：2004年6月29日，平阳县兴泰化工有限公司发生甲苯爆炸，造成4人死亡、2人受伤，直接经济损失100万元。主要经过：对甲苯贮罐进行切割，移位作业，切割过程中发生爆炸。直接原因：甲苯的闪点为4℃，爆炸下限为1.2%，上限为7％，爆炸范围5.8%,爆炸压力0.666MPa，对水溶解微溶，业主在对甲苯贮罐动火前，未按规定对贮罐内残留的甲苯进行有效清洗，而仅仅用河水清洗，罐内有大量的可燃性甲苯气体，在切割过程中，高温引爆，导致连续爆炸。2、爆炸极限的影响因素（1）原始温度温度升高爆炸极限范围扩大。（2）原始压力，压力升高爆炸极限范围扩大。当燃烧上限和下限重合为一点时，称为临界值。压力低于该临界值时，不会发生爆炸。安全生产中的负压生产。0.1MPa例如果物质的UFL在表压为0.0MPa下为11.0%，那么，在表压为6.2MPa下的UFL是多少？(绝压=表压+1大气压)0.1MPa(3)惰性介质惰性介质加入爆炸极限范围缩小。下图表明惰性气体种类和加入量都会影响爆炸极限范围。一般惰性气体：爆炸上限下降，下限上升，爆炸范围减小。Ar气，爆炸上限减小，下限也下降。痕量水有时会促进爆炸反应发生。(4).氧含量氧含量增加爆炸极限范围扩大。浓度低于下限不能爆炸的原因是：空气过剩，空气的冷却作用阻碍火焰的蔓延。此时增加氧含量，爆炸下限降低幅度不大。浓度高于上限不能爆炸的原因是：空气不足，火焰不能蔓延。此时增加氧含量会使上限显著提高。（5）点火能源点火能源加大使爆炸范围变宽。物质名称浓度，%最低引爆能量，mJ物质名称浓度，%最低引爆能量，mJ二硫化碳6.520.015甲醇12.240.215氢气29.20.019甲烷8.50.28乙炔7.730.02乙烷4.020.031丁二烯3.670.17丙酮4.871.15氧化丙烯4.970.190甲苯2.272.50某些物质的最低引爆能量（6）容器直径容器直径越小，爆炸范围越窄。临界直径的计算用散热损失和器壁效应解释此现象（7）点火方向下部点火，爆炸下限值小，上限值大（范围最大）上部点火，爆炸下限值大，上限值小（范围最小）水平点火，介于两者之间。3.2.4爆炸极限的计算（1）经验法j下＝0.55C0L上＝3.5C0或4.8C0---气体在完全燃烧时的物质的量浓度0C（2）闪点法可燃液体在闪点时的饱和蒸气分压正好对应着火的最低体积分数。利用此规律可以根据闪点计算爆炸下限，或根据爆炸上限或下限求上部闪点、下部闪点。（3）多组分可燃气体的爆炸极限经验公式各组分气体活化能E、摩尔燃烧热Q、指前因子k等近似的混合气才能用此公式。公式中需注意ya＋yb＋yc＋…..=1（4）可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限A.经验公式(5)爆炸范围图（1）可燃