第三章-爆炸基本原理1..ppt

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,瑞典鲍弗斯公司硝化甘油爆炸事故对周围建筑物的破坏,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3C2H2C6H6+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：3C2H22C+H2+226.04kJ/mol,3.2.1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,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。,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,（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yaybyc.=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）可燃气F，助燃气S，惰性气体I（2）可燃气F1、F2，助燃气S（3）可燃气F，助燃气S1、S2、,组分x所在顶点处代表该组分含量为100%，所以组分x的坐标轴在其逆时针方向。若求某点O的x组分含量，则过O点作x顶点对边的平行线，与x逆时针方向的轴的交点即是。若某点离某顶点较近，则顶点对应组分较多。若某点沿某条边的平行线移动，则某一组分含量不变，另两组分一增一减。,泄漏燃爆区,不燃不爆区,3.3爆燃及爆轰,化学反应导致的爆炸破坏效应很大程度上依赖于是爆轰还是爆燃引起的爆炸。爆燃是一种燃烧过程，反应阵面（reactionfront）移动速度低于未反应气体中的声速，反应阵面主要通过传导和扩散而进入未反应气体中。,3.3爆燃及爆轰,爆轰的反应阵面移动速度比未反应气体中的声速高。对爆轰来说，主要通过压缩反应阵面前面的未反应气体使其受热，从而使反应阵面向前传播。二者的主要差别在于前者是亚音速流动，而爆轰则为超音速流动。,一、爆燃,来自反应的能量通过热传导和分子扩散转移至未反应的混合物中。这些过程相对较慢，促使反应阵面以低于声速的速度传播。,爆燃示意图,图气相爆燃物理模型（爆炸发生在左侧很远处）,一、爆燃,爆燃发生时，反应阵面的传播速度低于声速。压力波阵面在未反应气体中以声速向前传播，并逐渐远离反应阵面。随着燃烧反应不断向前行进，反应阵面会产生一系列单个的压力波阵面。,一、爆燃,这些压力波阵面以声速离开反应阵面并在主压力波阵面处不断聚集。由于反应阵面不断产生压力波阵面，造成单个压力波阵面不断迭加，使得主压力波阵面在尺寸上不断增加。爆燃产生的压力波阵面持续时间长，阵面宽而平滑。,二、爆轰,对某些反应而言，其反应阵面是通过强压力波不断向前传播的，强压力波通过压缩反应阵面前方的未反应物料，使其温度超过自燃温度。由于压缩进行得很快，导致反应阵面前方出现压力突变或激波。这种现象就是爆轰。,二、爆轰,爆轰又称爆震，它是一个伴有巨大能量释放的化学反应传输过程，同时反应阵面及其前方的冲击波以声速或超声速向未反应混合物传播。爆轰速度约在15009000m/s的范围。,（一）爆轰过程,图气相爆轰物理模型（爆炸发生在左侧很远处）,（一）爆轰过程,对于爆轰，反应阵面的移动速度大于声速。激波阵面（shockfront）在反应阵面前方不远处。反应阵面为激波阵面提供能量并且以声速或超声速驱动它持续向前行进。当反应阵面和激波阵面耦合在一起同步前行时，稳定发展的爆轰波便形成了。,（一）爆轰过程,爆轰产生的激波阵面，其压力是突然上升的。最大压力与反应物料的相以及类型都有关系。,（二）影响爆轰发生的因素,1浓度范围爆炸性混合气体的爆轰现象只发生在一定的浓度范围内，这个浓度范围叫爆轰范围。,2强氧化剂,如纯氧或氯气（不是空气）等强氧化剂，会使反应加速，并发生爆轰现象。氯酸盐、高氯酸盐等氧化剂的存在会发生加速反应或爆炸性反应。,3压力,压力的增加也可以导致反应速度的增加。如乙炔管线过热。温度的增加导致乙炔分解。反应增加了气体压力从而使分解速度增加，并发展为爆轰速度。,4反应热,如果在燃烧反应中放出的热量巨大，同样可能造成某些稳定混合物发生爆轰。,5初始温度,混合气的初始温度对爆轰的传播速度影响很小，实验数据表明，升高温度反而使爆轰速度有所下降。原因是升高温度使气体密度减小所造成。,6管径或容器的长径比,由于爆炸性混合气体在点火以后到形成爆轰有一段发展过程，在常压非扰动的初始条件下，在管子或小直径容器中爆轰的形成与管道或容器的长径比有关。大型容器即使长径比小，也不能因此认为不会引发爆轰。当有相当大的扰动产生，或能量很高的点火源，也可使爆轰在大型容器中产生。,7催化剂,催化剂通常可以降低初始反应所需要的能量，并可导致反应加速。因此催化剂可以使更多的混合物通过施加一个引发源来开始反应，并达到爆轰速度。,三、爆燃向爆轰的转变（DeflagrationtoDetonationTransition）,爆轰可以通过两种方式产生：一种是直接起爆，如用炸药、强激光等高能量物质来进行直接起爆，这种方法需要巨大的点火能量，对于一般碳氢燃料，约需105106J；,三、爆燃向爆轰的转变（DeflagrationtoDetonationTransition）,另一种是通过爆燃向爆轰转变（DDT）的方式产生，即采用弱点火能量点火形成火焰，火焰在一定条件下加速，形成湍流燃烧，再形成热点，并逐渐放大，形成爆轰。,三、爆燃向爆轰的转变（DeflagrationtoDetonationTransition）,爆燃转爆轰（DDT）在管道中尤其常见，但是在容器或开放空间中却不太可能发生。,转变机理,在一个装有预混可燃气体混合物的管子里，如果一端封闭，在靠近封闭端处点火，形成爆燃波。爆燃波从封闭端向另一端传播。由于波后的燃烧产物被封闭端限制，从而使爆燃波后压力和温度不断升高，使火焰加速。,转变机理,由此在波前形成压缩波，它在波前局部声速向前传播。由于爆燃波后的温度和压力不断提高，后面的压缩波赶上前面的压缩波，经过一定时间和距离形成激波。激波诱导气流二次运动，使层流火焰变成紊流火焰，形成许多局部爆炸中心。,转变机理,当一个或若干个局部爆炸中心达到临界点火条件时，产生小的爆炸波向周围迅速放大，并与激波反应区结合形成自持的超声速爆轰波。激波对化学反应有诱导作用，决定了化学反应的感应时间。化学反应对激波起驱动作用，提供激波传播所需能量。,图爆燃波向爆轰波转变过程中压力曲线随时间的变化,四、爆燃和爆轰的破坏机理,爆燃和爆轰造成的破坏有显著不同，相同的能量，爆轰造成的破坏比爆燃大得多，主要是由于爆轰的最大超压更大。爆燃虽然最大超压低，但是压力持续时间长，对某些结构组件可能更有破坏性。,爆燃破坏机理,如果爆炸是由爆燃造成，爆炸产生的碎片比较少，而且在裂缝附近的容器壁面厚度会变薄；这是因为