第五章-南京工业大学燃烧与爆炸理论-爆炸及其灾害PPT课件

-,1,第五章爆炸及其灾害,-,2,第一节爆燃及爆轰,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,第一节爆燃及爆轰,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。,-,4,一、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。,-,5,图5-1气相爆燃物理模型（爆炸发生在左侧很远处）,-,6,一、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。,-,7,一、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（几毫秒至数百毫秒），阵面宽而平滑。,-,8,二、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。,-,9,二、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。,-,10,（一）爆轰过程,图5-2气相爆轰物理模型（爆炸发生在左侧很远处）,-,11,（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。,-,12,（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。持续时间与爆炸能有关系，一般在几秒至数十秒之间。,-,13,（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。,-,14,2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。,-,15,3压力,压力的增加也可以导致反应速度的增加。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。,-,16,4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。,-,17,5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。,-,18,6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。,-,19,7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。,-,20,三、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；,-,21,三、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。,-,22,三、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。,-,23,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。,-,24,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。,-,25,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。,-,26,图5-3爆燃波向爆轰波转变过程中压力曲线随时间的变化,-,27,四、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。,-,28,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；这是因为在破裂前容器壁会发生形变，也可称为应力破裂或延性破坏（stressfracture或ductilefailure）。,-,29,爆轰破坏机理,如果爆炸是由爆轰引起的，则激波阵面的突然到来造成容器破裂，形成大量碎片。从裂缝附近抛出的碎片也没有变薄，这是因为容器破裂时间非常短，器壁来不及变薄，这就是所谓的脆性破坏（brittlefracture）。,-,30,四、爆燃和爆轰的破坏机理,这两种破裂模式的差别是由于爆炸压力作用到器壁上的速率的不同导致的。对于爆燃的情况，压力缓慢作用到器壁，使得器壁有时间延展，最后撕破。而对于爆轰的情况，由于压力作用非常突然，器壁没有时间进行延展就破裂了。,-,31,第二节蒸气云爆炸,一、基本概念可燃蒸气云点燃后若火焰速度加速到足够高并产生显著的超压，则形成蒸气云爆炸。若不能火焰加速而产生显著超压，则只是产生闪火（flashfire，是蒸气云的非爆炸性突然燃烧）。若喷泄而出的粉尘在空气中分散后被点燃并发生爆炸，也可以归为蒸气云爆炸以作分析。,-,32,二、成因及特点,只有压缩能和热能才能单独形成蒸气云。能量的大小与蒸气云的增长速度、可燃蒸气云的形成速度直接相关。,-,33,二、成因及特点,一般情况下，若容器压力越高，则可燃物泄漏速度越快，形成等体积蒸气云的时间越短，卷吸空气而形成可燃混合物的速度也越快。对于泄漏液体，只有过热液体才能迅速蒸发并快速形成大的蒸气云团。,-,34,发生蒸气云爆炸的条件,泄漏的物质必须是可燃的；点燃之前必须形成足够尺寸的蒸气云；在点燃之前要有足够量的空气混合进入蒸气云，以使得混合物的浓度在可燃范围内；蒸气云燃烧时火焰必须加速传播，否则只会形成闪火。,-,35,图5-4形成蒸气云爆炸的示意图,-,36,二、成因及特点,蒸气云爆轰时，爆源初始尺寸约为爆炸长度的1/10，蒸气云爆燃时，爆源初始尺寸与爆炸长度相当。和炸药激波相比，蒸气云爆炸的爆炸波能级较低，峰值压力不高。,-,37,二、成因及特点,蒸气云爆炸的能量释放速率也比凝聚相爆炸的能量释放速率小得多。因此，蒸气云爆炸形成的爆炸波有很尖的负相部分，并且形成明显的第二爆炸波。,-,38,图5-5蒸气云爆炸的理想爆炸波波形,-,39,蒸气云爆炸事故的特点,蒸气云爆炸事故频率高，后果尤为严重；绝大多数是由燃烧发展而成的爆燃，而不是爆轰；蒸气云的形成是加压储存的可燃液体和液化气体大量泄漏的结果，储存温度一般大大高于它们的常压沸点；,-,40,蒸气云爆炸事故的特点,发生蒸气云爆炸时泄漏的可燃气体或蒸气的质量一般在5000kg以上；参与蒸气云爆炸的燃料最常见的为低分子碳氢化合物；除了氢以外，能够引起蒸气云爆炸的大多数可燃气体或蒸气的密度及与空气形成的易爆混和物密度都大于周围大气的密度；,-,41,蒸气云爆炸事故的特点,从开始喷泄到点燃之间时间拖得越长，爆炸的总能量就越大，后果也就越严重；蒸气云爆炸与凝聚相爆炸不同，不能看作点源爆炸，而是一种面源爆炸。,-,42,三、危害及防护,可燃蒸气云团被点燃后有两种典型的危害，即火球和蒸气云爆炸。即使发生蒸气云爆炸，参与爆炸的可燃物的数量也少的惊人，大部分可燃物是以火球的形式燃烧掉。云团的核心几乎完全是燃料，只是外围由可燃浓度范围内的混合物构成。,-,43,三、危害及防护,外围首先被点燃后，在可燃浓度范围内的蒸气云形成一个比较薄的壳包络着过富的混和物。当火焰蔓延到包络着过富云团的时候，在深部的燃料就发生燃烧。这种火焰的燃烧速度一般要比预混和气的火焰慢。因为热的燃烧气体的浮力增加，燃烧的云团会上升、膨胀并呈球形，表现为火球的形式。,-,44,三、危害及防护,发生火球时，燃烧的能量几乎仅以热能的形式释放出来。蒸气云爆炸的破坏作用来自爆炸波、一次破片作用、抛掷物以及火球热辐射；爆炸波效应一般已经成了大多数蒸气云爆炸的鉴别标志。,-,45,三、危害及防护,要预防蒸气云爆炸事故的发生，唯一可靠的方法是防止发生可燃物的大量泄漏。可以从根本上减少系统中易燃物的储存量，以及缓和反应条件。,-,46,三、危害及防护,气象条件影响着蒸气云爆炸的全过程，主要的影响因素是风速和气温，湿度、降雨量、大气压等的影响则处于次要地位。在做规划时应避免把新的石油或化工装置建在窝风的山沟里。,-,47,三、危害及防护,厂区内不宜种植高大的乔木，以免影响可燃气体逸散。在适当位置安装可燃物检测仪表。如能在低浓度下发现可燃泄出物，则应尽快采取防范措施。,-,48,第三节沸腾液体扩展蒸气爆炸,沸腾液体膨胀蒸气爆炸是温度高于常压沸点的加压液体突然释放并立即气化而产生的爆炸。加压液体的突然释放通常是因为容器的突然破裂引起的。它实质是一种物理性爆炸。,-,49,二、典型形成过程,图5-6沸腾液体膨胀蒸气爆炸形成的示意图,-,50,三、危害及防护,破坏能量来源：容器本身是高压容器，它的突然破裂能够释放出巨大的能量，产生爆炸波并且将容器破片抛向远方；液化气剧烈燃烧能够释放出巨大的能量，产生巨大的火球和强烈的热辐射。,-,51,三、危害及防护,事故的危害包括容器爆炸的爆炸波、容器碎片、热辐射及火球火焰的直接伤害。,-,52,事故预防,防止压力容器失效。选用合格的工艺设备，并进行定期检查。预防其它火灾爆炸事故，尤其要防止易燃易爆物质的泄漏。运输过程中严格遵守危险化学品管理条例，可以限制同车运输的可燃物的量。,-,53,第四节喷雾爆炸,认为在敞开系统中处理可燃液体而温度低于闪点是安全的；当温度还低于其闪点的可燃液体的雾滴在空气中也会发生爆炸。,-,54,第四节喷雾爆炸,用雾化流体或者把热的液体闪蒸，接着用冷的气体骤冷，就可能获得空气中的液体分散相微滴。电火花、明火、热金属线、子弹等都可以使雾滴开始点燃。但是在较低的温度下，要求的能量是较高的。,-,55,第四节喷雾爆炸,雾滴的燃烧速度不是决定于蒸气压力，相反，而是决定于使微滴到达它的沸点和液体蒸发所需要的热量。在蒸气着火之前有相当大的气化反应。当雾滴表面接近沸点时才发生燃烧。,-,56,第四节喷雾爆炸,细微液滴的爆炸下限与蒸气空气混合物的爆炸下限是完全相同的。雾滴的均匀性在火焰传播方面是十分重要的因素。雾滴中的爆炸速度比在蒸气空气混合物中稍微低一些，但是随着雾滴浓度的增加而增大。,-,57,第四节喷雾爆炸,用添加剂可以使雾滴成为不燃性，它可以抑制火焰的传播，不燃性的气体如N2和CO2；也可以把水加入雾化的混合物可以使油雾成为不燃的；用化学抑制燃烧的过程OH基起着重要作用，通过OH基同HBr、HI或HCl中任何一个反应，可以中断燃烧。,-,58,第五节粉尘爆炸,粉尘爆炸是悬浮在空气中的可燃性团体微粒接触到火焰（明火）或电火花等任何着火源时发生的爆炸现象。,-,59,常见可爆炸粉尘材料包括：,农林：粮食、饲料、食品、农药、肥料、木材、糖、咖啡。矿冶：煤碳、钢铁、金属、硫磺等。纺织：棉、麻、丝绸、化纤等。轻工：塑料、纸张、橡胶、染料、药物等。化工：多种化合物粉体。,-,60,常见粉尘爆炸场所是：,室内：通道、地沟、厂房、仓库等。设备内部：集尘器、除尘器、混合机、输送机、筛选机、打包机等。,-,61,广州番禺一工厂粉尘爆炸4死12伤。工厂爆炸将一幢四层楼的玻璃全部震碎，一楼部分墙体倒塌,-,62,1m3粉尘爆炸,-,63,-,64,粉尘爆炸实验,面粉简易实验1面粉简易实验2白糖爆炸分析,-,65,一、粉尘基础知识,（一）概述粉尘是粉碎到一定细度的固体粒子的集合体，按状态可分成粉尘层和粉尘云两类。粉尘层（或层状粉尘）是指堆积在物体表面的静止状态的粉尘；粉尘云（或云状粉尘）则指悬浮在空间的运动状态的粉尘。,-,66,（一）概述,粉尘粒度是粉尘爆炸中一个很重要的参数；粉尘的表面积比同质量的整块固体的表面积可大好几个数量级。表面积的增加，意味着材料与空气的接触面积增大，这就加速了固体与氧的反应，增加了粉尘的化学活性，使粉尘点火后燃烧更快。,-,67,（一）概述,粉尘粒子的形状和表面状态对爆炸反应也有较大的影响。即使粉尘粒子的平均直径相同，但若其形状和表面状态不同，其爆炸性能也不同。,-,68,（二）粉尘爆炸的条件（五边形）,-,69,（二）粉尘爆炸的条件,燃料：可燃粉尘。粉尘的颗粒大小尺寸是重要的，越小的颗粒更可能悬浮和更容易被点燃。氧化剂：通常是空气中的氧气，它在一般情况下足以支持爆炸。悬浮：粉尘需要扩散在空气中。在工艺设备中的粉尘可能是正常地散布在空气中。在一个建筑物中，粉尘扩散的情况则可能是由大的泄漏，小型的初期粉尘爆炸，或者是其他将设备表面沉积的粉尘振落或者是将地面的粉尘扬起的扰动所引起的。点火源：需要点燃混合物的能量。这可能是如静电一样小的能量，或者是更到的能量源，如开放的火眼或电气故障。限制空间：例如，建筑物的墙，天花板、地板、屋顶就构成了一个限制空间。工厂设备，如工艺设备，料仓，除尘器，输送管系统也形成了限制空间。,-,70,（二）粉尘爆炸的条件（浓度）,粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同。气体爆炸采用体积百分数（）表示；粉尘爆炸一般都用单位体积中所含粉尘粒子的质量来表示，常用单位是g/m3或mg/L。,-,71,（二）粉尘爆炸的条件,50g/m3为常见粉尘的下限浓度量级，5000g/m3为上限浓度量级。在下限浓度50g/m3时，这时已基本上不透光。若采用25W灯泡照射浓度为40g/m3煤粉尘云，在2m内人眼看不见灯光。这种浓度在一般环境中是不可能达到的，只有在设备内部才能遇到。,-,72,（二）粉尘爆炸的条件,在这种浓度下，一旦有点火源存在，就会发生爆炸。这种爆炸叫“一次爆炸”。当一次爆炸的气浪或冲击波卷起设备外的粉尘积尘，使环境中达到可爆浓度时，又会引起“二次爆炸”。,-,73,（二）粉尘爆炸的条件,一般情况下是不会达到粉尘爆炸浓度的，只有在极少数强粉尘粒子源附近才能出现这种浓度。另外，即使在爆炸浓度下限时，也足以使人呼吸困难，难以忍受，而且此时能见度也已受到严重限制，甚至达到伸手不见五指的程度。人是完全可以感受到这种危险浓度的。,-,74,（二）粉尘爆炸的条件（点火源）,粉尘爆炸的另一个重要条件是点火源。粉尘爆炸所需的最小点火能量比气体爆炸大一二个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在550mJ量级范围。,-,75,二、粉尘爆炸机理及影响因素,（一）粉尘爆炸的机理粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从点源获得点火能量；温度急剧升高，加速分解温度或蒸发温度，形成粉尘蒸气或分解气体；与空气混合后就能引起点火；成为点火源，使粉尘着火，从而扩大了爆炸（火焰）范围。,-,76,（一）粉尘爆炸的机理,这一过程与气体爆炸相比，由于涉及辐射能而变得更为复杂。不仅热具有辐射能，光也含有辐射能；因此在粉尘云的形成过程中用闪光灯拍照是非常危险的。,-,77,粉尘爆炸的特点,燃烧速度或爆炸压力上升速度比气体爆炸要小，但燃烧时间长，产生的能量大；发生爆炸时，有燃烧粒子飞出，会使可燃物局部严重炭化和人体严重烧伤；引起第二次爆炸；伴随有不完全燃烧，含有大量的CO，会引起中毒。,-,78,（二）粉尘爆炸的影响因素,1.化学性质和组分粉尘必须是可燃的含有过氧基或硝基的有机物粉尘会增加爆炸的危险性。燃烧热越高、爆炸下限浓度越低、点火能越小的物质，越易爆炸。灰分量在1530时，则不易爆炸。含有挥发分时，极易爆炸。,-,79,2.粒度大小及分布的影响,粒子直径越小，越易爆炸可燃粉尘的直径大于400m时，即使用强点火源也不能使其发生爆炸粗粒子粉尘中含有一定量的细粉尘时，则可使粗、细混合粉尘发生爆炸,-,80,3.可燃性气体共存的影响,使用强点火源也不爆炸的粉尘，如若有可燃性气体时，其爆炸下限会下降，从而使粉尘在更低浓度下爆炸。,-,81,4.最小点燃能量,最小点燃能量与粉尘的浓度、粒径大小等有关；测试条件不同则测试值也有所不同，很难得出定值。,-,82,5.爆炸极限,粉尘与空气的混合物要像气体那样达到均匀的浓度分布是不容易的，所以测试的重现性不好，多数情况是经过统计处理后算出来的。一般工业可燃粉尘爆炸下限约在2060mg/m3之间，爆炸上限可达26kg/m3之间。温度和压力对爆炸极限有影响，一般是温度、压力升高时，爆炸极限变宽。,-,83,6.水分含量,对于疏水性粉尘，水起惰化作用锰、铝等金属与水反应生成氢，增加其危险性；对于导电性不良的物质，干燥状态下由于粉尘与管壁和空气的摩擦产生静电积聚，容易产生静电火花。,-,84,（三）粉尘爆炸基本参数及其实验测量方法,点火温度粉尘云和粉尘层的点火温度都是在Godbert-Greenwald炉中测定的,-,85,点火能量,粉尘云的最小点火能量是用已知能量的电容器放电来测定的。,-,86,最低爆炸浓度（粉尘爆炸下限）,爆炸下限浓度也是在Haitmanm管中进行测定的。,-,87,爆炸压力和压力上升速率,粉尘云的最大爆炸压力及压力上升速率也可用Hartmarm管测量在管顶部装一个压力传感器，记录爆炸压力随时间变化的过程，而最大压力上升速率则以最大压力除以从点火到出现最大压力的时间得到。,-,88,爆炸压力和压力上升速率,当容器体积V0.04m3时，粉尘爆炸压力上升速率和容器体积间存在“三次方定律”相互比较压力上升速率数据时，必须说明试验容器的体积，未说明容器体积的压力上升速率数据是没有意义的。,-,89,（三）粉尘爆炸基本参数及其实验测量方法,Hartmarm管不适于用来测量爆炸威力参数；因为它的爆炸室为管状结构，火焰很快接触冷管壁，会损失部分燃烧反应热。此外，它的点火方式和点火位置也都不利于爆炸过程的迅速成长。因此，Hartmarm管实际测得的爆炸威力（Kst值）较低，不适于作为设计防爆措施的参考数据。,-,90,（三）粉尘爆炸基本参数及其实验测量方法,在球形试验装置中进行的系统性粉尘爆炸试验表明，随着容器体积的增加，测得的爆炸特性值Kst,也越接近于大型容器的数值；存在一个与Kst极限值相应的容器体积，超过此体积时，爆炸强度不再增加。,-,91,（三）粉尘爆炸基本参数及其实验测量方法,国际上普遍使用20L容器来测定粉尘爆炸基本参数。大量试验证实，以20L容器所测得的爆炸特性值Kst，与用1m3容器所测得的结果基本相同,-,92,图5-1420L粉尘爆炸试验装置,-,93,三、粉尘爆炸和气体爆炸的比较,气体爆炸的燃料是气态，燃料在爆炸混合物中占有的体积部分是必须考虑的。而粉尘爆炸的燃料是固态，燃料所占的体积极小，基本上可以忽略不计。,-,94,三、粉尘爆炸和气体爆炸的比较,粉尘粒子比气体分子大得多。粉尘粒子与大气中的氧结合的反应是一种表面反应，其反应速度与粒子的粒度密切相关；而气体爆炸反应是气相反应，属于分子反应，不像固体反应那样受众多物理因素的影响。,-,95,混合物的均匀性,气体进入容器中时，它与大气的混合可能是瞬间即完，气体均匀混合，不易分离，也不易分层。粉尘喷撒入容器中时，其密度和粒子尺寸分布是很难保持均匀的。由于粉尘粒子受重力影响而发生沉降。,-,96,颗粒度,粉尘的粒度、形状及表面条件都是变量，都是影响爆炸的参数。气体燃料与氧反应是分子反应，而氧和粉尘粒子间的反应却受氧的扩散控制，因此与表面积密切相关，表面积越大（粒度越小），反应速率愈高。,-,97,燃料对大气的稀释,当气体燃料注入充满空气的容器中时，原始氧量相对减小，这种稀释作用可能是相当严重的。粉尘燃料进入容器时，置换体积很小。,-,98,初始湍流和初始压力,最终的粉尘空气混合物都呈湍流。工业上的气体空气混合物也可能是湍流的；但在实验室里，大多数气体爆炸都是发生在非湍流混合物中。在大体相同的试验条件下，甲烷爆炸压力大约比粉尘爆炸压力约高50%，而前者的压力上升速率约为后者的610倍。,-,99,爆炸浓度,甲烷空气混合物的极限浓度范围为5%15%，最大爆炸威力出现在甲烷浓度为9.5%10%时；最佳浓度约为1.1；匹茨堡煤粉的最佳浓度约为3.2。,-,100,爆炸后大气组分,对甲烷，反应生成CO2，CO和H2。煤粉，大多数气体产物是CO2，高浓度时，气体产物主要是CO和H2，还形成一些甲烷。,-,101,点火温度,粉尘云点火温度，粉尘层点火温度粉尘层的点火温度随粉尘层厚度增加而减小。如果厚度足够大且有氧存在，而空气循环又受限制，则粉尘有可能在环境温度下着火（自燃）。,-,102,点火温度,除了Al、Mg因为有防潮的氧化膜不易点火外，一般粉尘层的点火温度比低分子量的气体的点火温度低得多。低的点火温度，排除了金属粉尘是在气化或挥发层点火的机制，而应是固体粒子表面氧化反应点火机制。,-,103,第六节爆炸温度、压力和强度,一、爆炸温度和压力爆炸后系统内物质热力学能=爆炸前物质热力学能+Q燃,-,104,例5-1,已知甲烷的燃烧热QCH4799.14kJ/mol，内能UCH41.82kJ/mol（300K时），原始温度为300K时，在空气中爆炸，试求爆炸的最高温度与压力。,-,105,例5-2,计算甲烷在爆炸下限时爆炸的温度与压力。己知QCH4799.14kJ，T0300K，P01.01105Pa，甲烷的L下5.3。,-,106,二、爆炸强度,压力上升速度是衡量燃烧速度的尺度，也就是衡量爆炸强度的尺度（即爆炸强度）。,-,107,二、爆炸强度,压力上升速度的定义是，在爆炸压力-时间曲线的上升线段通过拐点引出的切线斜率，等于压力差除以时间差的商。,-,108,二、爆炸强度,最大压力上升速度与点燃位置有关；在容器中心点燃爆炸性混合气体，压力上升速度为最大；点燃位置移到容器边缘，由于爆炸火焰很快与器壁接触而消散了部分热量，于是压力上升速度就会减小，而爆炸压力变化不大，略有下降。,-,109,图5-20点燃位置对甲烷爆炸压力上升速度的影响,-,110,二、爆炸强度,在同样条件下，不同的可燃气（蒸气）点燃后的最大压力上升速度却是很不相同的。,-,111,图5-21密闭容器中甲烷和氢气爆炸的时间过程（化学计算混合物）,-,112,二、爆炸强度,最大爆炸压力通常不受容器体积的影响，而容器的容积对爆炸强度有显著的影响。,-,113,图5-22容器容积对丙烷爆炸的影响,-,114,“三次方定律”,气体：粉尘：,-,115,表5-13静止状态点燃混合物时，几种典型气体的值（点燃能量E10J，pmax7.4105Pa),-,116,“三次方定律”,三次方定律可用来估计在一个有限空间内，如建筑物或容器中爆炸所造成的后果。,-,117,“三次方定律”,混合物的组成、容器的形状、容器中的混合情况、点燃源能量的大小，对和均有影响，但当这些条件相同时，则爆炸指数和可视为一个特定的物理常数。,-,118,二、爆炸强度,最大压力和最大压力上升速率与初始压力成直线关系；当初始压力超过常压时，将使最大爆炸压力、最大压力上升速度值成比例增加；压力降低到常压以下时，特性值将相应地减少，直到爆炸不至传播时为止。,-,119,图5-23初始压力对最大爆炸压力和速率的影响,-,120,图5-24过高的初始压时，丙烷的爆炸特性值（容器7L/能量10J）,-,121,第七节爆炸灾害,一、爆炸冲击波及其破坏（一）爆炸冲击波粉尘爆炸或气体爆炸（爆燃或爆轰）导致反应前沿从引燃源处向外移动，其前面是冲击波或压力波前沿。可燃物质消耗完后，反应前沿终止，但是压力波继续向外移动。冲击波由压力波和随后的风组成。,-,122,图5-25固定位置处的冲击波压力,-,123,冲击波超压的测量,如果压力传感器与冲击波垂直，所测得的超压被称为侧向(side-on)超压，有时也称为自由场(free-field)超压。如果压力传感器面对着即将来临的冲击波放置，那么测得到的压力是反射（reflected）超压。反射超压包括侧向超压和滞止压力。滞止压力起因于当移动的气体与压力传感器撞击时的减速。,-,124,冲击波超压的测量,对于低的侧向超压，反射超压大约是侧向超压的两倍；对于强的冲击波，反射超压能达到8倍，或更多倍的侧向超压值。当冲击波垂直于墙，或所关注的物体达到时，反射超压最大，且随着偏离垂直的角度变化而减小。一般情况下，超压意味着侧向超压，且往往是侧向超压峰值。,-,12