化工安全工程课件-第二章-燃烧与爆炸

1、第二章 燃烧与爆炸第一节 燃烧及其特性第二节 燃烧机理第三节 燃烧速度第四节 爆炸及其类特性1第一节 燃烧及其特性一、燃烧概述 燃烧是一种同时有光和热发生的剧烈的氧化还原反应。在化学反应中，失掉电子的物质被氧化，获得电子的物质被还原。所以，氧化反应并不限于同氧的反应。燃烧的判断：剧烈的氧化还原反应放出大量的热发出光以上三个要点同时成立的才为燃烧。如，氢在氯中燃烧。金属和酸反应非燃烧，灯泡中的灯丝非燃烧。2二、燃烧条件 燃烧三要素：有可燃物的存在；有助燃物的存在；有能导致着火的能源。需要说明的是，具备以上三要素并不一定引起燃烧，如可燃物与助燃物的比例（浓度）、点火源的强度（温度）等。3三、燃烧过

2、程和燃烧形式可燃物质和助燃物质存在的相态、混合程度和燃烧过程不尽相同，其燃烧形式是多种多样的。 1均相燃烧和非均相燃烧按照可燃物质和助燃物质相态的不同，分为： 均相燃烧是指可燃物质和助燃物质间的燃烧反应在同一相中进行，如氢气在氧气中的燃烧，煤气在空气中的燃烧。 非均相燃烧是指可燃物质和助燃物质并非同相，如石油(液相)、木材(固相)在空气(气相)中的燃烧。非均相燃烧比较复杂，需要考虑可燃液体或固体的加热，以及由此产生的相变化。 42混合燃烧和扩散燃烧 按照可燃气体的燃烧过程不同，分： 混合燃烧：可燃气体与助燃气体预先混合而后进行的燃烧。速度快、温度高，一般爆炸反应属于这种形式 扩散燃烧：可燃气体

3、由容器或管道中喷出，与周围的空气(或氧气)互相接触扩散而产生的燃烧。在扩散燃烧中，由于与可燃气体接触的氧气量偏低，通常会产生不完全燃烧的炭黑。 53.蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧 蒸发燃烧：可燃液体蒸发出的可燃蒸气的燃烧。通常液体本身并不燃烧，只是由液体蒸发出的蒸气进行燃烧。 分解燃烧：固体或不挥发性液体经热分解产生的可燃气体的燃烧。如木材和煤大都是由热分解产生的可燃气体进行燃烧。 可燃固体和液体的蒸发燃烧和分解燃烧，均有火焰产生，属火焰型燃烧。 表面燃烧：当可燃固体燃烧至分解不出可燃气体时，便没有火焰，燃烧继续在所剩固体的表面进行的燃烧。金属燃烧即属表面燃烧，无气化过程，无需吸收蒸发热，燃烧

4、温度较高。 6物质燃烧过程的温度变化历程 T初为可燃物质开始加热的温度。初始阶段，加热的热量用于可燃物质的熔化或分解，温度上升较缓慢。 到达T氧，可燃物质开始氧化。由于温度较低，氧化速度不快，氧化产生的热量尚不足以抵消向外界的散热。此时若停止加热，尚不会引起燃烧。 继续加热，到达T自，即使停止加热，温度仍自行升高。T自是理论上的自燃点，T自是开始出现火焰的温度，为实际测得的自燃点。T燃为物质的燃烧温度。 T自到T自的时间间隔称为燃烧诱导期（着火延滞期）。 7诱导期与自燃点的关系8 如果按照燃烧起因，燃烧分为闪燃、点燃和自燃三种类型。闪点、着火点和自燃点分别是上述三种燃烧类型的特征参数。(1)闪

5、燃和闪点 可燃液体表而的蒸气与空气形成的混合气体与火源接近时会发生瞬间燃烧，出现瞬间火苗或闪光的现象称为闪燃。闪燃的最低温度称为闪点。如60%的乙醇的闪点为22.5。可燃液体的温度高于其闪点时，随时都有被火点燃的危险。 闪点这个概念主要适用于可燃液体，某些可燃固体，如樟脑和萘等，也能蒸发或升华为蒸气，因此也有闪点。 四、燃烧种类9(2)点燃和着火点 可燃物质在空气充足的条件下，达到一定温度与火源接触即行着火，移去火源后仍能持续燃烧，这种现象称为点燃。点燃的最低温度称为着火点。可燃液体的着火点约高于其闪点5-20。但闪点在l00以下时，二者往往相同。在没有闪点数据的情况下，也可以用着火点表征物质

6、的火险。 10(3)自燃和自燃点 在无外界火源的条件下，物质自行引发的燃烧称为自燃。自燃的最低温 度称为自燃点。物质自燃有受热自燃和自热自燃两种类型。 受热自燃。可燃物质在外部热源作用下温度升高，达到其自燃点而自行燃烧称之为受热自燃。因此，受热自燃的两个条件为：有外部热源和有热量蓄积的条件。自热自燃。可燃物质在无外部热源的影响下，其内部发生物理、化学或生化变化而产生热量，并不断积累使物质温度上升，达到其自燃点而燃烧，称为自热燃烧。 自热自燃的三个条件：比较容易产生反应热的物质（如氧化热,发酵热等）、具有比较大的比表面积和良好的绝热保温性、产生的热量大于向环境散发的热量。11五、最小点火能量 处

7、于爆炸范围内的可燃气体混合物中产生电火花，从而引起着火所必须的最小能量称为最小点火能。12六、氧指数 氧指数又叫临界氧浓度或极限氧浓度，是用来对固体材料可燃性进行评价和分类的一个特征指标。材料维持有焰燃烧的以体积百分数表示的最低氧气浓度（氧气氮气体系），此最低氧气浓度称为氧指数。因此，氧指数越高，阻燃性越好。需要说明的是，随着温度等条件的变化，氧指数随之变化。13第二节 燃烧机理 在燃烧反应中，气体分子间互相作用，往往不是两个分子直接反应生成 最后产物，而是活性分子自由基与分子间的作用。 活性分子自由基与另一个分子作用产生新的自由基，新自由基又迅速参加反应，如此延续下去形成一系列连锁反应。 连

8、锁反应通常分为直链反应和支链反应两种类型。 141516一、可燃气体的燃烧速度 气体燃烧速度：单位时间内燃烧表面的火焰沿垂直于表面的方向向未燃烧部分传播的距离，m/s。 燃气的燃烧速度用火焰传播速度来衡量。 管道中气体的燃烧速率与管径有关。当管径小于某个小的量值时，火焰在管中不传播（阻火器原理）。火焰传播速率随管径的增加而增加；但当管径增加到某个量值时，火焰传播速率便不再增加，此时即为最大燃烧速率。第三节 燃烧速度17氢气：受热燃烧烃类气体：受热分解燃烧18可燃混合气体的火焰传播速度的影响因素19二、可燃液体的燃烧速度液体的着火速度和其蒸气压密切相关。表示方式：质量速度：每平方米面积上每小时燃

9、烧容器内液体质量kgm-2h-1。 直线速度：每小时烧掉容器内液体的高度cmh-1 。 影响因素：液体初温、液体热容、蒸发潜热、火焰辐射强度、液面高低等。20三、可燃固体的燃烧速度可燃固体经历受热、溶解、蒸发、分解、氧化燃烧等阶段。可燃固体中的不稳定含氧基团对燃烧有促进作用，如硝基化合物，硝化纤维等。燃烧速度与比表面积有关。知识点：燃烧热单位质量的物质在25的氧中燃烧释放出的热量。可燃物质燃烧、爆炸时所达到的最高温度、最高压力和爆炸力均与物质的燃烧热有关。从一般的物性数据手册中查阅。21第四节 爆炸及其特性一、爆炸概述 爆炸是物质发生急剧的物理、化学变化，在瞬间释放出大量能量并伴有巨大声响的过

10、程。 在爆炸过程中，爆炸物质所含能量的快速释放，变为对爆炸物质本身、爆炸产物及周围介质的压缩能或运动能。 物质爆炸时，大量能量极短的时间在有限体积内突然释放并聚积，造成高温高压，对邻近介质形成急剧的压力突变并引起随后的复杂运动。22 爆炸常伴随发热、发光、高压、真空、电离等现象，并且具有很大的破坏作用。爆炸的破坏作用与爆炸物质的数量和性质、爆炸时的条件以及爆炸位置等因素有关。 爆炸的威力是巨大的。在遍及爆炸起作用的整个区域内，有一种令物体震荡、使之松散的力量。爆炸发生时，爆炸力的冲击波最初使气压上升，随后气压下降使空气振动产生局部真空，呈现出所谓的吸收作用。 由于爆炸的冲击波呈升降交替的波状气

11、压向四周扩散，从而造成附近建筑物的展荡破坏。 23 化工装置、机械设备、容器等爆炸后，变成碎片飞散出去会在相当大的范同内造成危害。化工生产中属于爆炸碎片造成的伤亡占很大比例。爆炸碎片的飞散距离一般可达100-500m。 爆炸气体扩散通常在爆炸的瞬间完成，对一般可燃物质不致造成火灾，而且爆炸冲击波有时能起灭火作用。但是爆炸的余热或余火，会点燃从破损设备中不断流出的可燃液体蒸气而造成火灾。 爆炸在化学工业中一般是以突发或偶发事件的形式出现的，而且往往伴随火灾发生。爆炸所形成的危害性严重，损失也较大。 24二、爆炸分类1按爆炸性质分类(1)物理爆炸：指物质的物理状态发生急剧变化而引起的爆炸。例如蒸汽

12、锅炉、压缩气体、液化气体过压等引起的爆炸，都属于物理爆炸。物质的化学成分和化学性质在物理爆炸后均不发生变化。(2)化学爆炸：指物质发生急剧化学反应，产生高温高压而引起的爆炸。物质的化学成分和化学性质在化学爆炸后均发生了质的变化。252按爆炸速度分类 (1)轻爆 爆炸传播速度在每秒零点几米至数米之间的爆炸过程；(2)爆炸 爆炸传播速度在每秒十米至数百米之间的爆炸过程； (3)爆轰 爆炸传播速度在每秒1千米至数千米以上的爆炸过程。261、爆炸极限：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

13、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。三、爆炸极限及其估算272、爆炸极限的影响因素：原始温度，温度升高爆炸极限范围扩大。28原始压力，压力升高爆炸极限范围扩大。29惰性介质，惰性介质加入爆炸极限范围缩小。图12表明惰性气体种类和加入量都会影响爆炸极限范围。30点火能源，点火能源加大使爆炸范围变宽。31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

14、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。32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33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343、爆炸极限的估算：A、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，或根据爆炸上限求闪点。 35B、经验法 L下0.55C0 L上3.5C0 36C、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

15、、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.=13738D、可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限经验公式 394041三、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、 4243四、爆炸与爆轰 预混物的组成或预热条件合适，爆炸波的速度可能高达1000m/s以上，产生比普通爆炸的破坏力更大，称爆轰。 爆轰现象只发生在一定的浓度范围，称爆轰范围，其数值介于爆炸上、下限之间。44影响因素: a.混合气体的初始温度 b.初始压力 c.管道或容器的长径比 d.点火源的强度45五、分解爆炸性气体爆炸

16、 某些单一成分的气体，在一定的温度和压力下会发生分解反应（放热），在无助燃物的情况下可能发生分解爆炸。当压力低于某数值时，不会发生分解爆炸。如乙炔分解爆炸的临界压力为1.4105Pa。46六、粉尘爆炸悬浮在空气中的可燃性煤粉、有机物、高分子、面粉等固体微粒遇到着火源时发生的爆炸现象称为粉尘爆炸。A、粉尘爆炸的必要条件 燃料，粉尘颗粒在空气中要达到一定的浓度 空气，或氧气，发生氧化反应 混合，由于粉尘微粒悬浮在空气中，混合很好 点火源，一定能量的点火源 容器的密闭性，密闭的容器或空间，如果敞开空间只能发生燃烧。 47B、粉尘爆炸机理 颗粒受热温度上升 颗粒表面分子发生分解作用，颗粒周围产生可燃气

17、体 可燃气体与空气混合成爆炸性混合气体，发生燃烧 燃烧产生的热使颗粒进一步分解 燃烧连续传播，能量聚集，发生爆炸 48C、粉尘爆炸影响因素 化学性质和组成（与该物质挥发分含量、爆炸下限浓度、点火能量等因素有关） 粒度的大小与分布（粒子直径越小越易爆炸） 可燃气体存在容易引发爆炸（如煤粉中的甲烷） 最小点火能量（通过实验测定） 水分含量（水分增加最小点火能量增加） 爆炸极限（参见表14） 49七、雾滴爆炸可燃液体的雾滴在遇到适当的点火源可能会形成火灾或爆炸。通常，当雾滴的直径小于0.01mm时，爆炸下限等于该物质气相时的爆炸下限。当雾滴直径达到0.6mm以上时，不能爆炸。 50八、爆炸温度与压力的计算 5152535455九、爆炸压力爆炸强度a. 密闭容器中，压力上升速度是燃烧（爆炸）速度的衡量尺度。 56b. 在不同气体体积分数的状况下，可通过试验测定爆炸压力和压力上升速度。 57c. 点火位置与爆炸压力上升速度有关，靠近容器中心点火压力上升速度最大（主要考虑器壁吸热）。d. 常见可燃