燃烧爆炸理论及应用 课件 第4-6章 预混气体的着火理论、爆炸及其灾害、火灾爆炸的预防及控制

第四章预混气体的着火理论

概述所谓着火，是指系统中的可燃预混气因某种原因引起自动升温，反应自动加速，最后出现火焰的过程。火焰是着火的重要标志。第一节谢苗诺夫热自燃理论

一、概述

任何充满预混气的体系中，一方面体系中的预混气会因缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高；同时体系又会通过器壁向外散热，使体系温度下降。热自燃理论

着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热占优势，体系就会出现热量积累，温度升高，反应加速，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，体系温度下降，不能自燃。

热自燃理论系统的能量方程二、热自燃着火条件

着火临界条件的数学表达式

三、热着火理论中的着火感应期

在热着火理论中，着火感应期的定义是：当混气系统已达着火条件的情况下，由初始状态达到温度开始骤升的瞬间所需的时间。

图4-3不同初温时的散热曲线图4-4不同初温时的着火感应期

影响着火感应期的因素

系统环境温度越高，其着火感应期越短；大的混气发热量和高的混气反应速度都会使着火感应期变短；高的着火点以及高的反应活化能都会使着火感应期变长。第二节链锁自燃理论

一、链锁自燃自燃之所以会产生主要由于在感应期内分子热运动的结果，使热量不断积累，活化分子不断增加以致造成反应的自行加速。这一理论可以阐明可燃混合气自燃过程中不少现象。

一、链锁自燃

但是，也有不少现象与实验结果，热自燃理论是无法解释，例如氢和空气温合气的着火浓度界限的实验结果正好与热自燃理论对双分子反应的分析结果相反。

图4-5氢与空气的可燃混合气的压力极限

一、链锁自燃在低压下一些可燃混合气如H2+O2、OO+O2和CH4+O2等，其着火的临界压力与温度的关系曲线也不像热自燃理论所提出的那样单调地下降，而是呈S形，有着二个或二个以上的着火界跟，出现了所谓“着火半岛”的现象。

图4-6着火半岛现象（碳氢化合物与空气的混合气的着火界限）

一、链锁自燃这些情况都说明着火并非在所有情况下都是由于放热的积累而引起的。实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应却是不多。

一、链锁自燃链锁自燃理论认为，使反应自行加速并不一定要依靠热量积累，可以通过链锁的分枝，迅速增殖活化中心来促使反应不断加速直至爆燃着火。

1．链锁分枝反应的发展条件

简单反应的反应速度随时间的进展由于反应物浓度的不断消耗而逐渐减小；但在某些复杂的反应中，反应速度却随着生成物浓度的增加而自行加速。这类反应称为自动催化反应，链锁反应就属于这种更为广义的自动催化反应。

1．链锁分枝反应的发展条件链锁反应的速度受到中间某些不稳定产物浓度的影响；在某种外加能量使反应产生活化中心以后，链的传播就不断地进行下去，活化中心的数目因分枝而不断增多，反应速度就急剧加快，直到最后形成爆炸。

1．链锁分枝反应的发展条件在链锁反应过程中，不但有导致活化中心形成的反应，也有使活化中心消灭和链锁中断的反应，所以链锁反应的速度是否能得以增长以致爆炸，还得取决于这两者之间的关系。活化中心形成的速度

初始条件求解，得

整个分枝链锁反应的速度

图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化

在低温时，由于链的分枝速度很缓慢，而链的中断速度却很快，，则。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当时间趋于无限长时，活化中心浓度和反应速度都将趋于一个定值，即当2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化随着温度的增高，链的分枝速度不断增加而中断速度却几乎没有改变，值就逐渐增大，且成为正值，并随着温度升高愈大愈大。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化这时，活化中心浓度和反应速度却随着时间而急剧地增长。当时间趋于无限长时，两者都趋向于无限大，故反应就会由于活化中心不断积累而自行加速产生所谓“链锁自燃”现象。

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化因为W1值很小，故感应期内反应很缓慢，甚至观察不出；而后由于活化中心迅速增殖导致速度猛烈地增长形成爆燃；当然在活化中心不断积累，反应自行加速的同时还伴随着自行加热。图4-7分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化当温度增加到某一数值时，却好使链的分枝速度等于其中断速度，即或，则此时活化中心浓度和反应速度均以直线规律随时间增长。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化在这种情况下，反应是不会引起自燃的。若稍微提高一些温度而使，则反应就会因活化中心的不断积累而致产生爆燃；但若温度稍低一些，则会因，使反应速度趋于一极限值而达到一稳态反应。所以这一情况正好代表由稳态向自行加速的非稳态过渡的临界条件。2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化以（或）称为“链锁着火条件”，而相当于的混合气温度则称为“链锁自燃温度”。此时()的临界压力和温度就是链锁自燃的爆燃界限。对于氢氧混合气来说，链锁自燃温度T＝550℃。图4-8不同值下分枝链锁反应的发展

2.不同温度时，分枝链锁反应速度随时间的变化链锁自燃(或称链锁着火)现象在实验中可以观察到，例如在低压、等温下氢与氧可以无需反应放热而可由链锁反应的自行加速产生自燃，这就是所谓“冷焰”现象。二、感应期的确定

根据链锁反应的性质，在反应开始时速度很低，过了一段时间后，速度才开始上升到可被察觉出的程度。所谓感应期就是指反应速度由几乎为零增大到可以察觉到的一定数值时所需的时间。感应期

当时因在感应期内较大，故，同时可认为，则上式就可写成或感应期事实上，在一定组成、温度和压力下几乎为定值，它受外界的影响变化很小，所以或感应期这一结论已为实验所证实。如对一般可燃混合气着火而言，就有

三、着火半岛现象

着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证。在压力很低时，由于气体很稀薄，分子向四周的扩散速度很高，而且是压力越低，扩散越快。若此时容器的体积较小且压力又低，则活化中心向器壁的扩散就变得十分容易，因而就大大增加了与壁面碰撞失去活化的机会，这样就提高了链锁中断的速度，而且压力越低，中断速度越大。

三、着火半岛现象故当压力降低到某一数值时，就有可能使中断速度大于分枝速度，那时就出现了链锁自燃的低界限。若提高容器内混合气的压力，则由于分于浓度的增大，减少了活化中心与器壁的碰撞机会，则此时链锁的中断就主要发生在气相内部活化中心的相撞中。三、着火半岛现象因此，随着压力的提高，这种机会越来越多，链的中断速度亦就越来越大，因而当压力增大到某一数值时，又会遇到分枝速度与中断速度相等的临界情况，这时就出现链锁自燃的着火高界限。三、着火半岛现象越过着火高界限后，若再继续提高压力，就会出现第三个爆燃界限，高于该界限后会再一次引起爆燃。第三界限的存在完全可用热力着火理论来解释。三、着火半岛现象因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自动加速的作用越来越重要。达到第三爆燃界限时，由于反应放热大于散热而引起的升温和加速已居支配地位，此时的爆燃就纯粹是一种热力爆燃，完全遵循热自燃理论的规律。三、着火半岛现象通过对碳氢化合物和氧（空气）的着火测定实验，发现它们在着火临界压力—温度图上有好几个界限。图4-10已烷在空气中着火时的着火界限

三、着火半岛现象这种多界限的现象说明了着火现象的复杂性，其中可能同时有链锁自燃和热自燃，因此在着火理论研究方面又出现了一种所谓“链锁热力爆燃理论”；它认为燃烧的着火过程中既有出于热量积累产生升温而使反应加速的现象，也有在温度变化很小的每一瞬间由于链锁分枝而使反应加速的现象。

第五章爆炸及其灾害

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。

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。

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。

图5-1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（几毫秒至数百毫秒），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1500~9000m/s的范围。

（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）

（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。持续时间与爆炸能有关系，一般在几秒至数十秒之间。

（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。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105~106J；

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5-3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）。

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）。

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。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。

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。

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。

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。

图5-4形成蒸气云爆炸的示意图

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。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。图5-5蒸气云爆炸的理想爆炸波波形

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；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；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。

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。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。

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。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。

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。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。

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。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

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。

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。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。

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。

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。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。

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。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。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。

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。

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。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1m3粉尘爆炸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。（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。

（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。

（二）粉尘爆炸的条件（五边形）（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。（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。

（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。

（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”。（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。

（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5~50mJ量级范围。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。

（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。

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。（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15％~30％时，则不易爆炸。含有挥发分时，极易爆炸。

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400µm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。

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。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20~60mg/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。

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。（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

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。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。

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。

爆炸压力和压力上升速率当容器体积V≥0.04m3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。

（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。（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。

（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图5-1420L粉尘爆炸试验装置

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。

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。

⑴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。

⑵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。⑶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。⑷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6~10倍。

⑸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。

⑹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。⑺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）。

⑺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。

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燃例5-1

已知甲烷的燃烧热QCH4＝799.14kJ/mol，内能UCH4＝1.82kJ/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。

例5-2

计算甲烷在爆炸下限时爆炸的温度与压力。己知QCH4＝799.14kJ，T0＝300K，P0＝1.01×105Pa，甲烷的L下＝5.3％。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）。

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。

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。

图5-20点燃位置对甲烷爆炸压力上升速度的影响

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。

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）

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。图5-22容器容积对丙烷爆炸的影响

“三次方定律”

气体：粉尘：

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E＝10J，pmax＝7.4×105Pa)

可燃气体名称值/105Pa•m•s-1可燃气体名称值/105Pa•m•s-1甲烷55氢气550丙烷75“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。

“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。

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。

图5-23初始压力对最大爆炸压力和速率的影响

图5-24过高的初始压时，丙烷的爆炸特性值（容器7L/能量≥10J）

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。

图5-25固定位置处的冲击波压力

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。

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。

（二）冲击波破坏

冲击波破坏可基于压力波作用在建筑物上导致的侧向超压峰值来确定的。一般情况下，破坏也是压力上升速率和冲击波持续时间的函数。

（二）冲击波破坏超压可由TNT当量，记为mTNT，和距离地面上爆炸原点的距离r来估算。比拟超压ps

图5-26发生在平坦地面的TNT爆炸的最大侧向超压锋值与比拟距离的关系

（二）冲击波破坏图中的数据仅对发生在平整地面上的TNT爆炸有效。对于发生在敞开空气中的远远高于地面的爆炸，由图中得到的超压应乘以0.5。发生在化工厂中的大多数爆炸都被认为是发生在地面上。

（二）冲击波破坏（二）冲击波破坏使用所建立的热力学模型计算爆炸能，将能量转换为相应的一定质量的TNT，使用比拟规律和图5-26的关系估算超压，使用表5-17估算损坏。

例5-3

1kg的TNT发生爆炸。计算离爆源30m处的超压。

（三）冲击比超压的计算TNT当量法TNO多能法Baker-Strehlow法1．TNT当量法

TNT当量是将已知能量的可燃燃料等同于当量质量的TNT的一种简单方法。方法是建立在假设燃料爆炸的行为如同具有相等能量的TNT爆炸的基础之上的。

1．TNT当量法TNT爆炸能的典型值是1120cal/g=4686kJ/kg。对于可燃气体，可用燃烧热来替代爆炸能。对于大多数可燃气云，爆炸效率估计在1%至10%之间变化。对于丙烷、二乙醚和乙炔的可燃气云，其爆炸效率分别是5%、10%和15%。

TNT当量法使用步骤

确定参与爆炸的可燃物质的总量。估计爆炸效率，使用方程5-22计算TNT当量质量。使用方程5-19和图5-26（或方程5-21）给出的比拟定律，估算侧向超压峰值。使用表5-17估算普通建筑和过程设备所受的破坏。2．TNO多能法

TNO方法确定过程中的受限体积，给出相对的受限程度，然后确定该受限体积对于超压的贡献使用半经验曲线确定超压。该模型的基础是爆炸能量高度依赖于聚集程度，很少依赖于蒸气云中的燃料。

Baker-Strehlow法

这种方法基于火焰速度，其根据以下三种因素来选择：泄漏物质的活性，过程单元的火焰扩展特性（这与约束和空间形状有关），过程单元内的障碍物密度。

Baker-Strehlow法TNO法倾向于预测近场处的高压Baker-Strehlow法倾向于预测远场处的高压但是TNO多能法和Baker-Strehlow法在本质上是等价的。两种方法比TNT当量法需要更多的信息和详细的计算。二、爆炸抛射物的破坏

发生在受限容器或结构内的爆炸能使容器或建筑物破裂，导致碎片抛射，并覆盖很宽的范围。碎片或抛射物能引起较严重的人员受伤、建筑物和过程设备受损。

二、爆炸抛射物的破坏抛射物通常意味着事故在整个工厂内传播。工厂内某一区域的局部爆炸将碎片抛射到整个工厂。这些碎片打击储罐、过程设备和管线，导致二次火灾或爆炸。

图5-28爆炸碎片的最大水平射程

第六章火灾爆炸的预防及控制

第一节着火源的控制

为预防火灾或爆炸灾害，对着火能源的控制是一个重要问题。引起火灾爆炸事故的能源主要有以下几个方面、即明火、高温表面、摩擦和碰撞、绝热压缩、自行发热、电气火花、静电火花、雷击和光热射线等。

一、明火及高温表面

工厂中的明火是指生产过程中的加热用火和维修用火，这就是所谓的生产用火；另外还有则是非生产用人，如取暖用火、焚烧、吸烟等与生产无关的明火。一、明火及高温表面对于易燃液体的加热应尽量避免采用明火。一般温度加热时可采用蒸气或过热水；较高温度时也可采用其他载热体加热，但热载体的加热温度必须低于其安全使用温度。一、明火及高温表面对化工企业来说动火的含义应该明确，凡是动用明火或可能产生火花的作业都属于动火范围，应办理动火审批手续。

设立固定动火区应符合的条件

固定动火区距易燃易爆设备、贮罐、仓库、堆场等应符合国家防火规范的防火间距要求；区内可燃气体含量在可燃气允许含量以下；在生产装置正常放空时可燃气不致扩散到动火区；室内动火区，应与防爆生产现场隔开，不准有门窗串通，允许开的门窗要向外开，道路要畅；周围10米以内不得存放易燃易爆物；区内备有足够的灭火器具。一、明火及高温表面禁火区动火，必须填写书面申请单，经审查批准。手续不齐，没有批准的动火证，操作工可拒绝作业。领导不采取必要措施、不办理动火申请手续，强迫工人冒险作业，是违法行为，必须对由此面造成的后果负全部责任。

一、明火及高温表面对化学危险品的生产设备，管道维修动火前必须进行清洗、扫线、置换。此外对附近的地面、阴沟也要用水冲洗。动火分析

在动火前必须进行动火分析，一般不要早于动火前半小时。如动火中断半小时以上，应重做分析。化工企业的动火标准是，爆炸下限＜4％的，动火地点可燃物浓度＜0.2％为合格；爆炸下限＞4％的，则现场可燃物含量＜0.5％为合格。国外动火分析合格标准有的取爆炸下限的1/10。二、摩擦与撞击

摩擦与冲击往往成为引起火灾爆炸事故的原因。如在纺织厂，由于棉花中的钉子、石头等在打棉机里摩擦，而使棉花着火；机器上轴承等摩擦发热起火；金属零件、铁钉等落入粉碎机、反应器、提升机等设备内，由于铁器和机件的撞击起火；防止火花生成的措施

机器上的轴承等转动部件，应保证有良好的润滑及时加油，并经常清除附着的可燃污垢，机件摩擦部分锤子、扳手等工具应用铍青铜或镀铜的钢制作为防止金属零件等落入设备或粉碎机里，在设备进料前应装磁力离析器，不宜使用磁力离析器的如特危险的硫、碳化钙等的破碎，应采用惰气保护防止火花生成的措施输送气体或液体的管道，应定期进行耐压试验，防止破裂或接口松脱喷射起火凡是撞击或摩擦的两部分都应采用不同的金属制成(如铜与钢)，通风机冀应采用铜铝合金等不发生火花的材料制做搬运金属容器，严禁在地上抛掷或拖拉，在容器可能碰撞部位复盖不发生火花的材料防止火花生成的措施防爆生产厂房，应禁止穿带铁钉的鞋，地面应铺不发火材料地坪吊装盛有可燃气和液体的金属容器用吊车，应经常重点检查，以防吊绳断裂、吊钩松滑造成坠落冲击发火在处理燃点较低或起爆能量较小的物质如二硫化碳、乙醚、乙醛、汽油、环氧乙烷、乙炔等时，特别要注意不要发生摩擦和冲击三、绝热压缩

绝热压缩的点燃现象，在柴油机中广为应用。在爆炸性物质的处理中，如果其中含有微小气泡时，有可能受到绝热压缩，导致意想不到的爆炸事故。四、防止电气火花

电气火花种类高电压的火花放电弧光放电接点上的微弱火花爆炸性物质的分类

I类：矿井甲烷；Ⅱ类：工厂爆炸性气体、蒸气、薄雾；Ⅲ类：爆炸性粉尘、易燃纤维。爆炸性气体分级

矿井甲烷为Ⅰ级；工厂爆炸性气体分成三级，即ⅡA、ⅡB、ⅡC；这些物质按其引燃温度的不同又分为T1、T2、T3、T4、T5、T6六组

爆炸性粉尘分级爆炸性粉尘（包括易燃纤维）按其物理性质分为ⅢA、ⅢB两级；按自燃温度分为T1-1、T1-2、T1-3三组。气体爆炸危险环境的分区

0级区域（简称0区）：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。1级区域（简称1区）：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2级区域（简称2区）：在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，仅在不正常情况下偶而短时间出现的场所。粉尘爆炸危险环境的分区10级区域：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物，可能连续地、短时间内频繁地出现或长时间存在的场所。11级区域：在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常的情况下偶而短时间出现的场所。防爆电气设备的分类

隔爆型（d）增安型（c）本质安全型（i）正压型（P）充油型（o）充砂型（q）防爆特殊型（s）无火花型（n）防爆电气设备的防爆标志及选型

电气设备I类隔爆型，标志为dI；Ⅱ类隔爆型B级T3组其标志为dⅡBT3；Ⅱ类本质安全型Ia级B级T5组，其标志为iaⅡBT5。主体为增安型，其他部件为隔爆型B级T4组，则其标志为edⅡBT4。第二节静电及其控制

工业中，常见的静电产生的情况有：通过管道抽吸不导电的液体、混合不能互溶的液体、用空气输送固体和泄漏的蒸气与没有接地的导体接触。第二节静电及其控制工厂中，对于可能存在可燃性蒸气的操作，电荷积累超过0.1mJ就被认为是危险的。该电量的静电很容易产生，在地毯上行走所产生的静电积累平均为20mJ，电压超过了几千伏。一、静电的产生

根据双电层概念，在两物质紧密接触后分离，当其接触间距达到或小于25×10-8cm时，在其接触的界面上会产生电子的转移，失去电子的物质带正电，得到电子的物质带负电。电子的转移是靠“逸出功”来实现的。“逸出功”

就是一个自由电子从金属内转移到金属外所需做的功，也称为功函数，用来表示，单位为电子伏特（eV）。一般金属的功函数在3—5eV之间。“逸出功”逸出功高者带负电（获得电子），低者带正电（失去电子）。A、B两金属板由于逸出功不同，当紧密接触分离后就带上了静电荷。静电带电序列表

表中偏（+）端的功函数低，偏（-）端的功函数高，亦即是说处于前者的物质带正电，后者带负电。二、静电的积聚及其影响因素

（一）静电的积聚接触和摩擦带电双层带电感应带电输送带电（二）静电积聚的影响因素

1.电阻率在研究固体带静电时，用表面电阻率研究液体带静电时，则用体电阻电阻率高的物体其导电性差，电子难以流失，自身也不易获得电子；电阻率低的物质，导电性能好，电子获得和流失均较容易。1.电阻率电阻率在1011—1015·cm者，极易积聚静电，危害较大，是防静电的重点；至于电阻率大于1015·cm者，不易产生静电，但若一旦产生静电，也较难消除。2.介电常数

介电常数也称电容率，它同电阻率一起决定着静电产生的结果和状态。当流体的相对介电常数超过20，不论是管道连续输送还是贮运，当有接地装置时都不会产生静电积聚。3.静电消散的半衰期t1/2

静电愈不容易泄漏，危险性愈大。通常取带电体上静电电量泄漏到原来一半所需要的时间叫静电消散半衰期。半衰期是判断静电积聚的重要参数，静电半衰期t1/2＜0.012s的，可以认为其静电的积聚是安全的。三、静电放电

火花放电是两种金属物体间的放电。

传播电极放电

接地导电体接近由导电体做衬里的带电绝缘体时的放电。这些放电都具有较高的能量，能引燃可燃性气体和粉尘。尖端放电

是发生在粉尘堆圆锥表面上的一种电极型放电。高电阻率的粉尘（>1010ohmm）粗糙颗粒的粉尘（直径>1mm）具有高电荷质量比的粉尘充装速度大于0.5kg/s。电刷放电

是有着相对尖点的导电体（半径为0.1—100mm）与另外一个导电体或带电的绝缘体表面之间的放电。来自导电体的放电以像刷子的形状发光。放电强度没有点对点的火花放电强度强，不大可能引燃粉尘。然而，电刷放电能引燃可燃性气体。电弧放电

是来自粉尘上方空气中的云团放电。由实验得知，类似闪电的放电，在体积小于60m3的容器或直径小于3m的塔中是不会发生的。电晕放电

同电刷放电类似。电极导体有尖点。来自这种电极的放电具有足够的能量能引燃最敏感的气体。四、流动电流

流动电流IS是流动的液体或固体将电子由一个表面转移至另一个表面所产生的电子流动。当液体或固体流经管道（金属或玻璃）时，静电在流动的物质上产生。该电流同电路中的电流类似。松弛时间

松弛时间是电荷被泄漏驱散所需要的时间五、静电电压差

图6-4流体流动导致的加料管线上电荷的聚积

从金属管线接地至玻璃管末端的电压，由以下公式计算：例6-1

如图6-5中所示，计算的装料喷嘴和接地储罐间形成的电压。另外，计算存储在喷嘴中的能量和积累在液体中的能量。分析说明在以下两个流速条件下的潜在危害。（1）31gpm；（2）150gpm。已知软管长度为20ft；软管直径为2in；液体导电率为10-8mho/cm；介电常数为25.7；密度为0.88g/cm3。六、电荷平衡

拥有数个进、出口管线的容器六、电荷平衡

对于这类系统，需要用电荷平衡来建立电荷和积累的能量的时间函数。通过考虑流入的电流、流出的液体所携带的电荷，以及由于松弛所导致的电荷损失，来建立电荷平衡。例6-2

将甲苯充装入50,000gal的大型容器内。当容器充满一半时，计算充装操作期间的Q和J，其中：F=100gpm；IS=1.5×10-7amp；液体传导率=10-14mho/cm；介电常数=2.4。例6-3

图6-7显示了一个内嵌的汽水阀将水由过程流体中移走。请计算：（1）当容器内液体刚好达到溢出线时的Q和J，容器初始为空。（2）平衡条件（t=）下的Q和J.（3）如果平衡条件达到后就停止流动，将积累的电荷减少到平衡电荷的一半所需的时间。（4）在平衡条件下，随放电而移走的电荷。已知：容器体积=5gal；甲苯流动速率=100gpm；流动电流IS=1.5×10-7amp（由于管线内的过滤器而产生高值）；液体导电率=10-14mho/cm；介电常数=2.4；初始容器电荷=2×10-7库仑七、静电的危害

1、引起火灾爆炸静电引起火灾爆炸的原因是静电放电火花能量达到周围可燃物的最小点火能量而引起。火花放电的能量是物体上的积聚的电量、物体的电容和物体电压的函数。

例6-4

当向槽车中装苯时产生静电，测得静电压为1000V，电容为1.0×10-9F，如发生静电放电，问放电能量能否引起苯的燃烧或爆炸?静电火花引起火灾爆炸事故必须具备下列条件

要具备产生静电的条件。要具备产生火花放电的电位。有能产生火花放电的条件。放电火花有足够能量。现场环境有易燃易爆混合物。图6-8最小引燃能与静电放电能量的比较

⑵电击伤害

生产过程中产生的静电所引起的电击一般不致直接使人致命，但由此造成二次事故，如电击使人坠落或摔倒，或引起工作人员精神紧张，妨碍工作，甚至产生其他危害，是不能忽视的。⑶妨碍生产

由于静电力的存在，影响粉体的过滤和输送；使纤维缠结、吸附尘土；静电火花使胶片感光，降低质量；使电子自动仪器受干扰，甚至使无线电通讯受到破坏等。易于形成高静电位的单元操作

高电阻率液体如二硫化碳、苯、汽油等在管道输送或自容器转注时。压缩或液化气体，自喷嘴或裂缝喷出，尤其当含有杂质（包括乳化液或悬浮固体）时。某些粉体在管道中输送时。高电阻物料在搅拌、过滤、压碎、研磨、过筛时。传动带传动、皮带输送时。二物料压紧、剥离，胶片涂片时等。八、静电的控制

（一）从工艺上控制静电产生1.合理设计与选材利用静电序列表，尽可能选用相互摩擦或接触的两种物质的带电序列位置接近，以降低静电产生；使物料与不同材料制成的设备相接触，产生不同电性的静电．以消除物料所带静电。

1.合理设计与选材在有火灾爆炸危险场所，设备管道尽可能光滑平整无棱角，管径无骤变；皮带传动应用导电皮带，运转速度要慢，要防止过载打滑、脱落，防止皮带与皮带罩相互摩擦；输送高电阻率液体应自底部注入或自器壁缓缓流入器内；尽量减少过滤器，并安装在管路的起端2.松弛

当将液体通过位于容器上部的管道抽吸到容器中时，分离过程产生流动电流是电荷积累的基础。在管道刚要进入储罐处，通过增加一个放大截面的管道，可能会相当大地减少静电危害。该控制提供了通过松弛来减少电荷的积累时间。2.松弛在实际情况中，发现控制时间等于或大于所计算得到的松弛时间的1.5倍，该时间对于消除电荷积累来说足够了。因此，“两倍松弛时间”准则提供的安全系数为4。3.控制流速

对于液体物料的输送，通过控制流速可限制静电的产生。烃类油管管径与流速应满足如下关系

≤0.64原中石化总公司规定，铁路罐（槽）车浸没装油速度应满足下式关系：汽车罐（槽）车浸设装油速度应满足的关系。4.控制杂质和水分

在油品输送过程中，当油料带有水分时，必须将流速限制在1m/s以下，否则，将会产生危险的静电。5.控制温度

当不同温度油品混和时，由于温差，出现扰动也会产生静电。（二）泄漏导走静电

1.空气增湿在工艺条件允许的情况下，增加空气相对湿度可以降低静电非导体的绝缘性。一般相对湿度在80％时几乎不带静电，在70％时就能减少带静电的危险。2.加抗静电剂

加入抗静电剂使静电非导体增加吸湿性或导电性，从而改变物质的电阻率，加速静电荷的泄漏。在传动带上涂一层工业甘油（50％），由于吸湿使皮带表面形成一层水膜，也可达到防静电目的。3.静电接地或连接

静电接地是将带电物体的电荷通过接地导线迅速引入大地，避免出现高电位，这是消除对地电位差的一个基本措施。但它只能消除带电导体表面的自由电荷，对非导体的静电荷，效果是不大的。应静电接地的一般对象

生产或加工易燃液体和可燃气体的设备及有关贮罐、气柜、输送管道、闸门、通风管及以金属丝网、过滤器等；输送可燃性粉尘的管道和生产设备如混合器、过滤器、压缩气、干燥器、吸收装置、磨筛等；注油或有机溶剂设备和油槽车，包括注油栈桥、铁轨机、油桶、磅秤、加油管、漏斗、容器及装卸油的船舶等。3.静电接地或连接为防止感应带电，凡有火灾爆炸危险场所，对平行管道间距小于10cm时，每隔10m应有跨线；金属梁柱、构架与管道、金属设备、平台也应相互连接并接地。3.静电接地或连接连接和接地将整个系统的电压减少到地面水平，或者零电压。这也消除了系统各部分之间积累的电荷，消除了潜在的静电火花。图6-9储罐和容器的连接和接地方法

图6-9储罐和容器的连接和接地方法

图6-9储罐和容器的连接和接地方法

图6-10阀门、管道和法兰的连接方法

3.静电接地或连接玻璃和塑料衬里的容器，通过衬垫或金属探针接地。当操作具有低导电性的液体时，该技术无效。这种情况下，充装管线应延伸到容器的底部，以帮助消除来自充装操作中分离过程导致的电荷（和聚集）。另外，充装速度应该足够低，以便使由流动电流产生的电荷最少。图6-11玻璃衬里容器接地

图6-12插入管是为了避免自由下落和静电电荷的积聚

4.浸渍管

延伸的管线，有时也叫做浸渍腿，或浸渍管，减少了当液体被允许自由下落时的静电积聚。然而当使用浸渍管时，必须十分小心，要防止充装停止时，液体因虹吸而倒流出来。5.静置存放

装料时液面电压峰值常出现在停泵后5—10s时间内，然后逐步衰减，其过程随油品不同而异，因此停泵后不许马上检测、取样。（三）采用中和电荷的方法

这类方法主要是装静电消除器(也叫静电中和器)。静电中和器就是能产生相反电荷离子的装置。由于产生了相反电荷离子，物体上的静电荷得到相反符号电荷的中和，从而消除静电的危害。（四）人体防静电

1.人体防静电措施在工作时穿防静电工作鞋，电阻应小于1×108；禁止穿羊毛或化纤厚袜；穿防静电工作服或手套和帽子，不穿厚毛衣，可穿棉制品服装。1.人体防静电措施在人体必须接地的场所，应有金属接地棒，当手接触时即可导走人体静电。坐着工作，可在手腕上佩带接地腕带等。2.导电工作地面

产生静电场所的工作地面应是静电的导体，其泄漏电阻既要小到防止人体积聚静电，又要考虑不会由于误触动力电导致人体伤害。导电性地面通常指电阻率在106·m以下的材料制成的地面。2.导电工作地面定时洒水方法使混凝土地面、嵌本地板湿润，使橡胶、塑料贴面及油漆地面形成水膜，增加导电性。每班洒水至少1—2次，当空气相对湿度在30％以下时应多洒几次。3.安全操作

在工作中尽量不做与人体静电放电有影响的事，如在工作场所不穿脱衣服鞋帽等。在有静电危险场所操作、巡视、检查等活动时，不得携带与工作无关的金属物品，如钥匙、硬币、手表、戒指等。第三节惰化

惰化是把惰性气体加入到可燃性混合气体中，使氧气浓度减少到极限氧浓度（LOC）以下的过程。惰性气体通常是氮气或二氧化碳，有时也用水蒸汽。对于大多数气体，LOC大约为10%，对于大多数粉尘，LOC大约为8%。第三节惰化惰化最初是用惰性气体吹扫容器，以使氧气浓度降至安全浓度以下。通常使用的控制点比LOC低4%，也就是说，如果LOC为10%，那么控制点就是氧气浓度为6%。第三节惰化真空惰化压力惰化压力-真空联合惰化使用不纯的氮气进行真空和压力惰化吹扫惰化虹吸惰化1.真空惰化

对于大型储罐不适用因为，它们通常没有针对真空来进行设计，通常仅能承受几十毫米水柱的压力。反应器通常是针对完全真空设计的，对反应器来说，真空惰化是很普通的过程。

真空惰化的步骤对容器抽真空直到达到需要的真空为止用诸如氮气或二氧化碳等惰性气体来消除真空，直到大气压力重复步骤⑴和⑵，直到达到所需要的氧化剂浓度。图6-13真空惰化循环

1.真空惰化假设遵守理想气体状态方程，每一压力下的总摩尔数为：

低压PL和高压PH下氧的摩尔数通常使用Dalton定律计算：1.真空惰化当真空被纯氮气消除后，氧的摩尔数与在真空状态下的一样，氮气的摩尔数增加。新的（低的）氧浓度为：1.真空惰化如果真空和惰化消除过程重复进行，第二次惰化后的浓度为：

j次惰化循环后（即真空和消除）的浓度，由下面的普遍性方程给出：1.真空惰化每一次循环所添加的氮气的总摩尔数为一常数。j次循环后，氮气的总摩尔数为：例6-5

使用真空惰化技术将1000gal容器内的氧气浓度降低至1ppm。计算需要惰化的次数和所需要的氮气数量。温度为75℉，容器刚开始是在周围环境条件下充入空气。使用真空泵达到20mmHg的绝对压力，随后真空被纯氮气消除，直到压力恢复至1个绝对大气压。2.压力惰化

容器通过添加带压的惰性气体而得到压力惰化。添加的气体扩散并遍及整个容器后，与大气相通，压力降至周围环境压力。将氧化剂浓度降至所期望的浓度可能需要一次以上的压力循环。2.压力惰化2.压力惰化因为容器是使用纯氮气加压，因此，在加压过程中氧气的摩尔数不变，但摩尔百分比含量减少。在降压过程中，容器内气体组成不变，但总摩尔数减少。因而，氧气的摩尔百分比含量不变。2.压力惰化压力惰化较真空惰化的优点是潜在的循环时间减少了。加压过程比相对较慢的制造真空的过程要快的多。另外，随着绝对真空的减少，真空系统的容量急剧减少。然而，压力惰化需要较多的惰性气体。

例6-6

使用压力惰化技术，将例题6-5中的相同容器中的氧气浓度减少。计算使用压力为80psig、温度为75℉的纯氮气将氧气浓度降低至1ppm所需要的惰化次数。另外，计算所需要的氮气总量。比较两种惰化过程所需要的氮气的数量。3.压力-真空联合惰化

某些情况下，压力和真空两者可同时使用来惰化容器。计算过程依赖于是否容器被首先抽空或加压。图6-15初始加压的真空-压力惰化

3.压力-真空联合惰化

这种情况下，循环的开始定义为初始加压的结束。如果初始氧气摩尔百分比为0.21，初始加压后的氧气摩尔百分比由下式给出：

3.压力-真空联合惰化在该点处，剩余的循环与压力惰化相同；然而，循环的次数j为初始加压后的循环次数。图6-16初始抽真空的真空-压力惰化

3.压力-真空联合惰化这种情况下，循环的开始定义为初始抽真空的结束。该点处的氧气摩尔百分比与初始摩尔百分比相同。另外，剩余的循环同真空惰化操作相同，然而，循环次数j是初始抽真空后的循环次数。4.使用不纯的氮气进行真空和压力惰化

为真空和压力惰化而建立的方程，仅能应用于纯氮气的情况。如今的许多氮气分离过程并不能提供纯净的氮气，它们提供的氮气典型值为98%及以上。4.使用不纯的氮气进行真空和压力惰化假设氮气中含有恒定摩尔百分比为yoxy的氧气。对于压力惰化过程，初次加压后，氧气的总摩尔数为初始摩尔数加上包含在氮气中的氧气的摩尔数，其值为：4.使用不纯的氮气进行真空和压力惰化初次加压后，容器内的总摩尔数由方程6-13给出。因此，该循环结束后氧气的摩尔百分比为：4.使用不纯的氮气进行真空和压力惰化对于第j次压力循环后的氧气浓度，该结果可普遍化为以下递归方程和普遍化方程：5.各种压力和真空惰化过程的优缺点

压力惰化较快，因为压力差较大；然而，压力惰化比真空惰化需要使用更多的惰性气体。真空惰化使用较少的惰性气体，因为氧气浓度主要由抽真空来减少。当真空和压力联合惰化时，同压力惰化相比，使用的氮气较少，尤其是如果初始循环为真空循环时。6.吹扫惰化

吹扫惰化过程是在一个开口处将惰化气体加入到容器内，并从另外一个开口处将混合气体从容器内抽出到环境中。当容器或设备没有针对压力或真空划分等级时,通常使用该惰化过程；惰化气体在大气环境压力下被加入和抽出。6.吹扫惰化假设气体在容器内完全混合、温度和压力为常数。在这些条件下，排出气流的质量或体积流率等于进口气流。容器周围的物质平衡为:6.吹扫惰化进入容器的氧化剂的质量或体积流量是C0Qv，流出的氧化剂流量是CQv。方程重新整理和积分得：6.吹扫惰化将氧化剂浓度从C1减少至C2，所需要的惰性气体的体积为CQv，使用方程6-26计算：对于许多系统，C0=0。

例6-7

某储罐内装有体积百分比为100%的空气，必须用氮气进行惰化至氧气的体积百分比浓度低于1.25%。容器的体积为1000ft3。假设氮气中含有0.01%的氧气，请问必须添加多少氮气？7.虹吸惰化

如例6-7所说明的，吹扫惰化过程需要大量的氮气。当惰化大型容器时，代价会很高。使用虹吸惰化可使这种类型的惰化费用降至最低。7.虹吸惰化虹吸惰化过程一开始将容器用液体充满，所使用的液体是水，或其它任何能与容器内的产品互溶的液体。惰化气体随后在液体排出容器时加入到容器的气相空间。惰化气体的体积等于容器的体积，惰化速率等于液体体积排放速率。7.虹吸惰化在使用虹吸惰化过程中，首先是将容器中充满液体，然后，使用吹扫惰化过程将氧气从剩余的顶部空间移走。使用该方法，对于额外的吹扫惰化，仅需要少许额外的费用就能将氧气浓度降低至低浓度。第四节可燃性图表及其应用

一、可燃性图表

四个关键点纯净的氧气纯净的氮气纯净的燃料气纯净的空气三条线空气线LOC线化学剂量组成线一个区域可燃区域由可燃性图表，可得出以下结论：

如果两种气体混合物R和S混合在一起，那么得到的混合物的组成位于可燃性图表中连接点R和点S的直线上。最终混合物在直线上位置依赖于相结合的混合物的相对摩尔数：如果混合物S的摩尔数较多，那么混合后的混合物的位置就接近于点S。在混合期间不发生反应，摩尔数不变，因此，组分A的摩尔平衡为：组分C的质量平衡为：将方程6-31代入方程6-32并重新整理，得到相同，将方程6-31代入方程6-32，得到：