第七章-可燃液体燃烧

燃烧学主编7.1可燃液体燃烧的特点7.2可燃液体的蒸发及蒸气浓度计算7.3可燃液体的闪燃与爆炸温度极限7.4可燃液体的稳定燃烧7.5可燃液体的液面或固面燃烧7.6原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅7.7液滴的蒸发和燃烧第七章可燃液体燃烧7.1可燃液体燃烧的特点图7 - 1可燃液体燃烧的一般过程7.2可燃液体的蒸发及蒸气浓度计算7.2.1蒸发过程的影响因素及主要参数7.2.2克劳修斯-克拉佩龙方程式7.2.3拉乌尔定律7.2.1蒸发过程的影响因素及主要参数1.蒸发过程的影响因素2.蒸发过程的主要参数1.蒸发过程的影响因素(1)空气流动。(2)液体温度。(3)液面面积。(4)液体种类。2.蒸发过程的主要参数(1)蒸发热。(2)沸点。(3)蒸气压。表7 - 1常见液体的沸点2.蒸发过程的主要参数7.2.2克劳修斯-克拉佩龙方程式吉布斯相律为：(7-1)克劳修斯-克拉佩龙方程就是按照平衡条件导出的饱和压力和饱和温度之间的一般关系式，其可以表示为：(7-2)(7-3)(7-7)7.2.3拉乌尔定律理想溶液溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶液中溶剂的摩尔分数，即：(7-8)对非理想溶液，拉乌尔定律应修正为:(7-9)7.3可燃液体的闪燃与爆炸温度极限7.3.1液体的闪燃与闪点7.3.2同系物闪点变化规律7.3.3液体闪点计算7.3.4液体爆炸温度极限7.3.1液体的闪燃与闪点1.可燃液体的闪燃2.可燃液体的闪点3.闪点的实用意义4.闪点的主要影响因素1.可燃液体的闪燃可燃液体挥发的蒸气与空气混合，可燃蒸气达到一定浓度遇明火发生一闪即逝的燃烧，或者将可燃固体加热到一定温度后，遇明火会发生一闪即灭的燃烧现象，叫闪燃。2.可燃液体的闪点(1)开口闪点。(2)闭口闪点。(1)开口闪点。用规定的开口闪点测定仪(见图7-2a)所测得的结果叫做开口闪点，以℃表示。(2)闭口闪点。图7 - 2闪点测定仪a)开口闪点测定仪b)闭口闪点测定仪用规定的闭口闪点测定仪(见图7-2b)所测得的结果叫做闭口闪点，以℃表示，常用于测定煤油、柴油、变压器油等油品的闪点。(2)闭口闪点。3.闪点的实用意义(1)用于评定可燃液体火险性的大小。(2)作为可燃液体的分类、分级标准。(3)据此确定安全生产措施。(4)成为选择灭火剂供给强度的依据。(1)用于评定可燃液体火险性的大小。可燃液体生产、储存厂房和库房的耐火等级、层数、占地面积、安全疏散设施、防火间距、防爆设施等的确定和选择要根据闪点来确定；液体储罐、堆场的布置、防火间距，液化石油气储罐的布置、防火间距等也要以闪点为依据。(2)作为可燃液体的分类、分级标准。表7 - 3可燃液体分类(3)据此确定安全生产措施。闪点是表示物质蒸发倾向和安全性质的物理量，闪点越高表示越安全。在储存使用中禁止将油品加热到它的闪点，加热的最高温度，一般应低于闪点20～30℃，这样可以有效避免液体闪燃的发生，降低火灾发生的概率。(4)成为选择灭火剂供给强度的依据。灭火剂的供给强度，是指单位面积上、单位时间内，供给灭火剂的数量。闪点越低的液体，其灭火剂供给强度就越大。4.闪点的主要影响因素(1)可燃液体的性质。(2)混合情况。(3)压力。(4)点火时间和火源强度。(1)可燃液体的性质。可燃液体的种类与性质对液体的闪点有较大的影响，这种影响主要来自可燃液体的分子间力和化学键力。可燃液体分子间力越大，蒸发就越困难，那么液体上方蒸气浓度就越低，就越不容易发生闪燃，即闪点越高。(2)混合情况。1)完全互溶的可燃混合液体的闪点。2)可燃液体与不可燃液体混合时的闪点。1)完全互溶的可燃混合液体的闪点。图7 - 3乙酸戊酯与甲醇混合液的闪点2)可燃液体与不可燃液体混合时的闪点。表7 - 4醇水溶液的闪点(3)压力。表7 - 5压力对甲苯闪点的影响(4)点火时间和火源强度。在其他条件相同的情况下，点火时间越长，液面上的火源强度越高，液体的闪点则越低。这主要是因为液体接收的热量越多，其表层温度将有所升高，液面上方蒸气浓度就越高。表7 - 6部分醇的物理性能7.3.2同系物闪点变化规律表7 - 7部分芳烃的物理性能7.3.2同系物闪点变化规律7.3.2同系物闪点变化规律(1)同系物闪点随分子量的增加而升高。(2)同系物闪点随蒸气压的降低而升高。(3)同系物闪点随密度的增大而升高。(4)同系物闪点随沸点的升高而升高。(5)同系物中正构体比异构体闪点高。表7 - 8正构体与异构体的闪点比较7.3.2同系物闪点变化规律7.3.3液体闪点计算1.直接计算液体闪点2.间接计算液体闪点1.直接计算液体闪点(1)利用液体分子中的碳原子数。（7-10）(2)利用波道查公式。（7-11）2.间接计算液体闪点(1)利用道尔顿公式计算。(2)利用布里诺夫公式计算。(3)利用可燃液体爆炸下限计算。(1)利用道尔顿公式计算。(2)利用布里诺夫公式计算。表7 - 9(2)利用布里诺夫公式计算。(3)利用可燃液体爆炸下限计算。处于闪点温度时液体的蒸气浓度就是该液体蒸气的爆炸下限，因此可以利用可燃液体爆炸下限来计算液体的闪点。液体的饱和蒸气浓度和蒸气压的关系为：(7-14)(3)利用可燃液体爆炸下限计算。(3)利用可燃液体爆炸下限计算。7.3.4液体爆炸温度极限1.液体爆炸温度极限2.爆炸温度极限的计算1.液体爆炸温度极限表7 - 11常见液体的爆炸温度上限和下限2.爆炸温度极限的计算爆炸温度极限包括爆炸温度下限和爆炸温度上限，其中，爆炸温度下限为液体的闪点，其计算与液体的闪点计算相同，具体方法参见上节的闪点计算方法。计算爆炸温度上限时，可根据已知的爆炸浓度上限值计算相应的饱和蒸气压，然后用克劳修斯-克拉佩龙方程或插值法等计算出饱和蒸气压所对应的温度。2.爆炸温度极限的计算7.4可燃液体的稳定燃烧7.4.1液体的引燃7.4.2液体的自燃7.4.3液体燃烧速度的表示方法7.4.4液体稳定燃烧的火焰特征7.4.1液体的引燃可燃液体被引燃后，要形成稳定火焰，液体的蒸发速度必须足够快才能够保证燃烧的持续，具体来说，液体的蒸发速度需满足如下条件：(7-15)7.4.2液体的自燃1.自燃点的影响因素2.同类液体自燃点变化规律1.自燃点的影响因素(1)氧含量。(2)外界压力。(3)容器特性。(4)催化剂。2.同类液体自燃点变化规律表7 - 13同类液体自燃点变化规律7.4.3液体燃烧速度的表示方法1.燃烧线速度2.燃烧质量速度3.液体燃烧质量速度与线速度关系4.液体燃烧速度的计算与影响1.燃烧线速度燃烧线速度表示单位时间内烧掉的液层厚度，可以表示为：(7-16)2.燃烧质量速度在单位时间内、单位面积上烧掉的液体质量即为燃烧质量速度，其表达式为：(7-17)3.液体燃烧质量速度与线速度关系因为对于液体燃烧的质量损失量mb有：(7-18)4.液体燃烧速度的计算与影响液体燃烧的质量速度GL可表示为(7-20)7.4.4液体稳定燃烧的火焰特征1.火焰的倾斜度2.火焰的高度3.火焰温度4.火焰的气流流速1.火焰的倾斜度液池中的火焰大多呈现锥形，且具有一定的倾斜角。当风速大于或等于4m/s时，火焰会向下风方向倾斜60°～70°，即使在无风条件下，火焰也会在不定的方向倾斜0°～5°。2.火焰的高度根据Heskestad的研究结果，火焰高度H满足如下方程：(7-21)3.火焰温度McCaffrey应用数学模型理论对实验结果进行整理，获得了如下的火焰温度计算公式:(7-22)4.火焰的气流流速McCaffrey总结了火焰中心线上的气流速度公式，表示如下:(7-23)7.5可燃液体的液面或固面燃烧7.5.1油池燃烧7.5.2油面燃烧7.5.3含油固面火7.5.1油池燃烧1.油池燃烧时液层温度分布特点2.油池燃烧的发生及发展过程3.油池燃烧速度分析1.油池燃烧时液层温度分布特点图7 - 4丁醇燃烧时液面下温度分布1.油池燃烧时液层温度分布特点1.油池燃烧时液层温度分布特点根据热扩散方程：(7-24)图7-5液面温度传导的边界条件为:(7-25)(7-26)联立式(7-24)、式(7-25)和式(7-26)求解，可得：(7-27)2.油池燃烧的发生及发展过程(1)油池燃烧的初期。(2)油池燃烧的中期。(3)油池燃烧的晚期。2.油池燃烧的发生及发展过程图7 - 6油池火灾热量传播示意图2.油池燃烧的发生及发展过程图7 - 7油池火灾三个阶段(1)油池燃烧的初期。在这个阶段，油表面被加热层厚度h2很薄，油的蒸发速度增加，燃烧速度随之增加，油的被加热层也逐步向深部扩展。(2)油池燃烧的中期。燃烧经过一段时间后即过渡到油池火灾中期，此时燃烧速率要比初期大，但已逐渐趋于稳定；油面蒸发速度较大，蒸气流速也较大，中间层内负压也很大，大量空气被吸入油罐中而形成激烈的犬牙交错的上下气流团，并且常会产生火焰脉动及蘑菇状烟柱；被加热层也以接近恒定速度向深部缓慢扩展；另外，随着燃烧中间层厚度增加，烟和其他燃烧产物进入中间层越来越多，使得中间层变为灰色气体层，并对油面有明显的热屏蔽作用。(3)油池燃烧的晚期。随着燃烧的进行，中间层的厚度及“灰度”逐渐增大，对油面的热屏蔽作用也逐渐增强；当热屏蔽作用强烈到一定程度上，油面所接受的辐射热不仅不能使油面内被加热层厚度进一步增大，反而不足以维持一定的油蒸发速率，燃烧速度明显下降，进而导致火焰温度及火焰高度下降，相应地，辐射热反馈也减小，这一阶段被称作油罐火灾的衰落期。3.油池燃烧速度分析图7 - 8油池火灾中液面下降速度与容器直径的关系3.油池燃烧速度分析从器壁向液体的传热量可以表示为:(7-29)油池上方高温气体对油池中液体的对流传热量可以表示为：(7-30)油池上方火焰及高温气体向液体的辐射传热量表示为：(7-31)传入到液体的热量除了使液体温度升高外，还会导致使液体蒸发。其中，使液体温度升高的热量为Qc，表达式如下：(7-32)7.5.2油面燃烧图7 - 9油面火蔓延与初始温度的关系7.5.2油面燃烧7.5.2油面燃烧图7 - 11油面火中初温对传热过程的影响7.5.2油面燃烧图7 - 12有相对风速的环境中油面火的蔓延情况7.5.3含油固面火1.含油固面火实验装置2.含油固面火蔓延速度影响因素1.含油固面火实验装置图7 - 13研究含油固面火用的实验装置1.含油固面火实验装置图7 - 14冷态时燃料容器上方的流场状态1.含油固面火实验装置2.含油固面火蔓延速度影响因素(1)固面倾斜角。(2)相对风速。(3)粒径。(4)初温。(5)砂层导热系数。(1)固面倾斜角。图7 - 16固面倾斜角对含油固面火蔓延速度的影响(1)固面倾斜角。(1)固面倾斜角。图7 - 18倾斜砂层表面毛细管作用图a)倾斜砂层上端着火b)倾斜砂层下端着火图7 - 19相对风速对含油固面火蔓延速度的影响(2)相对风速。(2)相对风速。图7 - 20砂层表面附近流场与火焰的关系(3)粒径。图7 - 21粒径对含油固面火蔓延速度的影响(4)初温。图7 - 22初温对含油固面火蔓延速度的影响(5)砂层导热系数。7.6原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅7.6.1原油燃烧时热波传播速度7.6.2重质油品的沸溢和喷溅7.6原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅图7 - 24原油和重质石油产品油罐火灾7.6.1原油燃烧时热波传播速度图7 - 25热波的传播7.6.1原油燃烧时热波传播速度对于原油，当含水量小于2%时，热波的传播速度vt(mm/min)可以表示为:(7-36)7.6.2重质油品的沸溢和喷溅图7 - 26重质油品的沸溢和喷溅7.6.2重质油品的沸溢和喷溅1.沸溢2.喷溅3.重质油品油罐火灾的扑救1.沸溢(1)原油具有较宽的沸程，各组分的密度相差较大，即具有能够形成热波的特性。(2)原油中含有乳化水或自由水，水遇热波变成蒸汽。(3)原油的粘度较大，使水蒸气不容易从下向上穿过油层。2.喷溅喷溅发生的时间与油层厚度、热波移动速度以及油的燃烧线速度有关。可近似用下式表示:(7-39)3.重质油品油罐火灾的扑救(1)查明火灾相关情况。(2)