化工安全概论-第二章-燃烧与爆炸

第二章燃烧与爆炸简介：本章介绍燃烧及其特性、燃烧机理、燃烧速度、爆炸及其特性。重点讲解燃烧条件、燃烧种类、爆炸极限的概念、粉尘爆炸的必要条件，介绍燃烧过程及燃烧形式、氧指数、最小点火能量、可燃气体液体固体的燃烧速度、爆炸分类、爆炸极限的影响因素，了解爆炸极限的计算、粉尘爆炸的影响因素。重点：本章重点是掌握燃烧条件、燃烧种类、爆炸极限的概念、粉尘爆炸的必要条件。难点：本章难点是理解燃烧种类的区别及其系列概念、氧指数的概念、爆炸分类、爆炸极限的计算方法。2.1燃烧及其特性2.2燃烧机理2.3燃烧速度2.4爆炸及其特性2.1燃烧及其特性燃烧与氧化燃烧条件燃烧过程及燃烧形式燃烧种类氧指数最小点火能量2.1燃烧及其特性2.1.1燃烧与氧化燃烧是可燃物质与助燃物质发生伴有放热和发光的一种剧烈的氧化还原反应。一根木棒在空气中燃烧C+O2——CO2炽热的铁在氯气中发生剧烈燃烧Fe+Cl2——FeCl31、3Cu+8HNO3——3Cu(NO3)2+4H2O+2NO，2、Zn+H2SO4——ZnSO4+H23、灯泡中的灯丝通电后发光发热，但没有发生化学反应，因此也不是燃烧。以下几种情况非燃烧反应：燃烧三要素（必要条件）：可燃物、助燃物、点火源。燃烧的充分条件：可燃物、助燃物达到一定的浓度；点火源具备一定的温度和热量，才会引发燃烧。可燃物的爆炸极限（浓度%）氢气4.0%～75%一氧化碳12.5%～74.2%氨气15.5%～27%最小点火能(mJ)氢气0.019mJ甲烷0.025mJ2.1.2燃烧条件必要条件+充分条件——燃烧四面体——燃烧三角形2.1.3燃烧过程及燃烧形式绝大多数可燃物质的燃烧是在气态下进行的。A.气体燃烧：直接燃烧。混合燃烧可燃气体与助燃气体预先混合而后进行的燃烧。扩散燃烧可燃气体与助燃气体互相扩散，边混合边燃烧。混合燃烧特点混合燃烧速度快、温度高，接近于理论燃烧温度，燃烧完全。例如：混合气体爆炸工业炉预混式燃烧：充分利用混合燃烧的速度，产生很高的温度。扩散式燃烧的特点燃烧稳定，但燃烧速度慢，火焰温度低，常出现不完全燃烧产物。2.1.3燃烧过程及燃烧形式B.液体燃烧C.固体燃烧受热熔化(或升华)蒸发燃烧受热分解蒸发燃烧燃烧气化区（分解燃烧）气态液态产物蒸发燃烧和分解燃烧都是依靠气体的扩散进行燃烧，是火焰型燃烧。分解燃烧：蒸发燃烧燃烧气态表面燃烧：在固体的表面进行，无扩散的火焰。(气态物质)物质的燃烧过程：(吸收熔化潜热和蒸发潜热)(吸收蒸发潜热)燃烧过程中温度变化T初T氧只有外部热源，温度升高慢T氧：可燃物开始氧化放热，放热较少。T自：理论自燃点温度，热量平衡。T自‘：实际自燃点Q诱（τ）——诱导期（着火延滞期）T燃：物质的燃烧温度T初T氧T自T自＇热量平衡点T燃Q诱诱导期与环境温度和压力的关系：自燃点测定时着火延滞时间和自燃点的关系：煤油着火延滞时间-压力关系：三氯乙烯着火延滞时间-温度关系：P↑，Q↓T↑，Q↓着火（点燃）可燃物质在空气充足的条件下，当达到一定温度时，与火源接触就会燃烧，移去火源后能够持续燃烧（达5s以上），这种现象称为点燃。着火点点燃的最低温度叫做燃点，也叫做着火点。2.1.4燃烧种类（起因）1、着火和着火点（FirePoint或IgnitionPoint）考察可燃液体温度升高的几个变化阶段：*加热温度升高，液体表面蒸气压升高，可燃物浓度升高，能够被火源点燃而发生一个瞬间的火苗。（Flash）当温度低时，其表面的易燃蒸气浓度很低，不能被点燃。温度继续升高，液体表面蒸气压升高，可燃物浓度继续升高，与火源接触就会燃烧，移去火源后还继续燃烧。(Ignite)2、闪燃和闪点FlashPoint闪点与燃点相差多少？？乙醚-45℃，乙醇12℃闪点用来衡量液体的易燃性和挥发性。闪点的测定闪点的测定有两种标准测定方法：开杯法、闭杯法*加热加热闭杯法测定的是饱和蒸气和空气的混合物。而开杯法蒸气自由挥发，同样温度下，可燃物浓度比闭杯法低。所以闭杯法闪点测定值一般要比开杯法低几度。*开杯法：闭杯法：哪个闪点更低一些？影响闪点测定的因素？闪点的测定影响闪点测定的因素？点火源的大小及与液面的距离加热速率适用的均匀程度试样的纯度测试容器大气压力阅读教材23页内容闪点的意义——物质的火灾危险性分类P88-90闪点是物质在储存、运输和使用过程中的安全性指标，也是其挥发性指标。闪点越低，越容易挥发，物质的火灾危险性越大，安全性差。几种油品的闪点和自燃点在缺少闪点数据的情况下，也可以用燃点来表征物质的火险。几种物质的闪点：乙醚-45℃，苯-11℃，丙酮-10℃，乙醇12℃，醋酸38℃3、自燃和自燃点——物质的火灾危险性分类自燃可燃物质在在助燃气体中，在外界无明火直接作用的条件下，由于受热或自行发热，引燃并持续燃烧的现象。自燃点物质发生自燃的最低温度就是该物质的自燃点。附录Ⅰ燃点和自燃点：本质上都是燃点，只是点燃的热源不同，前者需要外部点火源。(2)自热自燃可燃物质在无外部热源的作用下，由于物质内部的物理、化学或生化反应放出热量并积聚起来，使温度达到自燃点而着火燃烧。1）受热自燃和自热自燃自热原因：氧化热、分解热、聚合热、吸附热、发酵热等自热自燃产生的条件：有容易产生反应热的物质；具有较大的比表面积；热量产生的速度大于向环境散失的速度。(1)受热自燃可燃物质受到外部热源的作用并积蓄热量，使温度升高，达到燃点而着火燃烧。接触高温热表面，加热或烘烤，摩擦发热等，均可能导致受热自燃。①由于氧化热积蓄引起的自燃油脂类、煤、金属硫化物等被氧化并产生热量从而导致自燃FeS2+O2FeS+SO2FeS2+3/2O2FeO+SO22FeO+1/2O2Fe2O3Fe2S3+3/2O2Fe2O3+3SH2S+O22H2O+2SFe+SFeSFe2O3+4H2S2FeS2+3H2O+H2↑Fe(OH)3+3H2SFe2S3+6H2O硫化铁类在常温下的氧化引发自燃：310℃以上：常温下：化工设备中硫化铁类的生成：②由分解发热引起的自燃硝化棉、赛璐珞和有机过氧化物③由聚合、发酵热引起的自燃活性单体在聚合时由于反应失控引起爆聚；堆积干草、棉花发生自燃。硝化棉[C6H7O2(ONO2)a(OH)3-a]n含氮量在12.5%以上的硝化棉危险性大，分解产生的NO2有自催化作用，加速分解放热而自燃。实验室使用硝化棉可存放在乙醇或异丙醇中，防止自燃。（c）相互混合而自燃大多为强氧化剂，如压缩氧、氯、硝酸、过氧化钠、高锰酸钾等，遇有机物时因反应放热而自燃。乙炔和氯气的反应：C2H2+Cl22HCl+2C还原剂乙硼烷：B2H6+6H2O2H3BO3+6H2④由化学品混合接触而引起的自燃（a）接触空气自燃黄磷、磷化氢（b）接触水自燃钾、钠、磷化钙、硼氢化物金属硅化物Mg2Si+4H2OMg(OH)2+SiH42）自燃点的测定及其影响因素阅读教材26页影响自燃点的因素：压力、浓度、催化剂、化学结构等反应当量浓度时，自燃点最低；压力越高，自燃点越低；容器的影响：形状、大小、材质等；添加剂的影响：活性催化剂使自燃点降低，钝化催化剂使自燃点升高；固体物质的粉碎程度：分散度越细，其自燃点越低；氧气（或其他助燃气体）的浓度。例如油脂在常温下遇到氧气会发生自燃，处理氧气的设备和管道在通入氧气之前必须经过脱脂处理，清除在施工时残留油脂。有机化合物分子量、饱和度、结构、取代基等与闪点的关系同系物分子量增加，自燃点降低；（与闪点相反）饱和烃自燃点高于碳原子数相当不饱和烃；直链结构自燃点低于其异构物；苯系低碳烃自燃点高于碳原子数相当的脂肪烃；过氧基使自燃点升高，卤素或卤代烷基团使自燃点降低。几种油品的闪点和自燃点2.1.5氧指数——评价固体材料的可燃性将固体材料在不同氧浓度的O2-N2混合气中点火燃烧，测出能维持该材料有焰燃烧的最低氧浓度（V/V），称为氧指数。氧指数越高的材料阻燃性能越好。空气中氧含量21%，所以氧指数21%的材料在空气中点燃后会自行熄灭。氧指数受温度影响，温度升高，氧指数下降。采用氧指数21%的材料，为什么在火灾中仍可以着火？2.1.6最小点火能在处于爆炸范围内的可燃气体混合物中发生电火花，从而引起着火所必须的最小能量称为最小点火能。E=0.02mJ，c=9%，在当量浓度附近。可燃气体混合物在什么浓度的点火能最小？2.2燃烧机理燃烧的连锁反应理论2.2.1气体燃烧的连锁反应——自由基连锁反应气体分子间的燃烧反应是由活性自由基与分子作用，生成产物并产生新的自由基，新自由基又参加反应，如此延续下去形成一系列连锁反应。连锁反应由三个阶段构成：链的引发、链的传递（包括支化）和链的终止。链的终止2ClCl22HH2H+ClHCl直链反应：氢和氧的反应属支链反应(H2、O2、H2O等任何惰性分子)H+O2+MHO2+MH+OHH2O（H2、O2为活化分子）2.2.2连锁反应速度表达式连锁反应的速度与反应物浓度、能量、传播速度、链的生成和销毁速度有关。P30)1()(aAffcFvcsF(c)——反应物浓度函数fs——链在器壁上销毁因素，与容器材质、性质和大小有关fc——链在气相中销毁因素，与温度、压力、杂质有关A——与反应物浓度有关的函数α——链的分支，直链α=1，支链α12.3燃烧速度2.3.1可燃气体的燃烧速度2.3.2可燃液体的燃烧速度2.3.3可燃固体的燃烧速度2.3.1可燃气体燃烧速度取决于气体扩散速度和化学反应速度单质气体的燃烧速度＞化合物气体如uH2＞uCH4气体燃烧——直接燃烧，燃烧速度比液体和固体快取决于气体本身的化学反应速度混合燃烧速度＞扩散燃烧速度火焰在管道中传播示意图：火焰传播速度：层流火焰：燃烧只在火焰面内进行火焰逐层往前传播u=ds/dt气体燃烧速度用火焰的传播速度来衡量静止气体：燃烧速度=火焰传播速度运动气体：火焰传播速度=燃烧速度+运动速度燃烧产物未燃预混气层流火焰前锋层流火焰：湍流火焰：气体名称最大火焰传播速度可燃气体在空气中的含量/％气体名称最大火焰传播速度可燃气体在空气中的含量/％氢一氧化碳甲烷乙烷丙烷4.831.250.670.850.8238.5459.86.54.6丁烷乙烯炼焦煤气焦炭发生煤气水煤气0.821.421.700.733.13.67.11748.543可燃气体与空气混合气的火焰传播速度，m／s（管径25.4mm）影响可燃气体火焰传播速度的因素：混合气性质、混合气浓度、混合气原始压力和温度、管壁传热气体浓度：火焰传播速度最大值一般发生在可燃气体浓度稍高于当量浓度的混合气中。2H2+O2——2H2O2CO+O2——2CO2当量浓度C0=29.5%，偏离较多。气体性质：氢气炔烃烯烃烷烃烃类燃料在空气中的层流火焰传播速度u/cm﹒s-1可燃气体浓度对火焰传播速度的影响：C（V/V）压力对甲烷在空气中燃烧速度的影响初始温度对氢在空气中燃烧速度的影响甲烷和空气混合气在不同管径时的传播速度，cm／s甲烷(％)2.510204060806％23.543.563951181378％508010015418320310％6511013618821523612％35748012316318513％224562104130138管径(cm)火焰传播速度一般随着管道直径增加而增加，当达到某个直径时速度就不再增加。反之，随着管道直径的减少而减少，小于某一数值时，火焰在管中就不再传播。管道中气体的燃烧速率与管径大小和管壁传热性能有关：丝网波纹板管道阻火器设计：管道中气体的燃烧速率与管径有关。管道直径小于某一数值时，火焰不再传播。在管道内设置障碍物，如金属丝网、波纹板等阻止火焰传播，但允许气体通过。思考题：用燃烧的连锁反应理论解释阻火器的原理。燃烧反应是活性自由基进行一系列连锁反应的结果，自由基与分子作用，生成产物并产生新的自由基，新自由基又参加反应，如此延续下去形成一系列连锁反应。只有自由基的产生数大于消失数时，燃烧才能继续进行。在管道中设置丝网、波纹板等障碍，增加自由基