化工安全工程課件-第二章-燃燒與爆炸

1、第二章 燃燒與爆炸第一節(jié) 燃燒及其特性第二節(jié) 燃燒機理第三節(jié) 燃燒速度第四節(jié) 爆炸及其類特性1第一節(jié) 燃燒及其特性一、燃燒概述 燃燒是一種同時有光和熱發(fā)生的劇烈的氧化還原反應。在化學反應中，失掉電子的物質被氧化，獲得電子的物質被還原。所以，氧化反應并不限于同氧的反應。燃燒的判斷：劇烈的氧化還原反應放出大量的熱發(fā)出光以上三個要點同時成立的才為燃燒。如，氫在氯中燃燒。金屬和酸反應非燃燒，燈泡中的燈絲非燃燒。2二、燃燒條件 燃燒三要素：有可燃物的存在；有助燃物的存在；有能導致著火的能源。需要說明的是，具備以上三要素并不一定引起燃燒，如可燃物與助燃物的比例（濃度）、點火源的強度（溫度）等。3三、燃燒過

2、程和燃燒形式可燃物質和助燃物質存在的相態(tài)、混合程度和燃燒過程不盡相同，其燃燒形式是多種多樣的。 1均相燃燒和非均相燃燒按照可燃物質和助燃物質相態(tài)的不同，分為： 均相燃燒是指可燃物質和助燃物質間的燃燒反應在同一相中進行，如氫氣在氧氣中的燃燒，煤氣在空氣中的燃燒。 非均相燃燒是指可燃物質和助燃物質并非同相，如石油(液相)、木材(固相)在空氣(氣相)中的燃燒。非均相燃燒比較復雜，需要考慮可燃液體或固體的加熱，以及由此產(chǎn)生的相變化。 42混合燃燒和擴散燃燒 按照可燃氣體的燃燒過程不同，分： 混合燃燒：可燃氣體與助燃氣體預先混合而后進行的燃燒。速度快、溫度高，一般爆炸反應屬于這種形式 擴散燃燒：可燃氣體

3、由容器或管道中噴出，與周圍的空氣(或氧氣)互相接觸擴散而產(chǎn)生的燃燒。在擴散燃燒中，由于與可燃氣體接觸的氧氣量偏低，通常會產(chǎn)生不完全燃燒的炭黑。 53.蒸發(fā)燃燒、分解燃燒和表面燃燒 蒸發(fā)燃燒：可燃液體蒸發(fā)出的可燃蒸氣的燃燒。通常液體本身并不燃燒，只是由液體蒸發(fā)出的蒸氣進行燃燒。 分解燃燒：固體或不揮發(fā)性液體經(jīng)熱分解產(chǎn)生的可燃氣體的燃燒。如木材和煤大都是由熱分解產(chǎn)生的可燃氣體進行燃燒。 可燃固體和液體的蒸發(fā)燃燒和分解燃燒，均有火焰產(chǎn)生，屬火焰型燃燒。 表面燃燒：當可燃固體燃燒至分解不出可燃氣體時，便沒有火焰，燃燒繼續(xù)在所剩固體的表面進行的燃燒。金屬燃燒即屬表面燃燒，無氣化過程，無需吸收蒸發(fā)熱，燃燒

4、溫度較高。 6物質燃燒過程的溫度變化歷程 T初為可燃物質開始加熱的溫度。初始階段，加熱的熱量用于可燃物質的熔化或分解，溫度上升較緩慢。 到達T氧，可燃物質開始氧化。由于溫度較低，氧化速度不快，氧化產(chǎn)生的熱量尚不足以抵消向外界的散熱。此時若停止加熱，尚不會引起燃燒。 繼續(xù)加熱，到達T自，即使停止加熱，溫度仍自行升高。T自是理論上的自燃點，T自是開始出現(xiàn)火焰的溫度，為實際測得的自燃點。T燃為物質的燃燒溫度。 T自到T自的時間間隔稱為燃燒誘導期（著火延滯期）。 7誘導期與自燃點的關系8 如果按照燃燒起因，燃燒分為閃燃、點燃和自燃三種類型。閃點、著火點和自燃點分別是上述三種燃燒類型的特征參數(shù)。(1)閃

5、燃和閃點 可燃液體表而的蒸氣與空氣形成的混合氣體與火源接近時會發(fā)生瞬間燃燒，出現(xiàn)瞬間火苗或閃光的現(xiàn)象稱為閃燃。閃燃的最低溫度稱為閃點。如60%的乙醇的閃點為22.5?？扇家后w的溫度高于其閃點時，隨時都有被火點燃的危險。 閃點這個概念主要適用于可燃液體，某些可燃固體，如樟腦和萘等，也能蒸發(fā)或升華為蒸氣，因此也有閃點。 四、燃燒種類9(2)點燃和著火點 可燃物質在空氣充足的條件下，達到一定溫度與火源接觸即行著火，移去火源后仍能持續(xù)燃燒，這種現(xiàn)象稱為點燃。點燃的最低溫度稱為著火點?？扇家后w的著火點約高于其閃點5-20。但閃點在l00以下時，二者往往相同。在沒有閃點數(shù)據(jù)的情況下，也可以用著火點表征物質

6、的火險。 10(3)自燃和自燃點 在無外界火源的條件下，物質自行引發(fā)的燃燒稱為自燃。自燃的最低溫 度稱為自燃點。物質自燃有受熱自燃和自熱自燃兩種類型。 受熱自燃?？扇嘉镔|在外部熱源作用下溫度升高，達到其自燃點而自行燃燒稱之為受熱自燃。因此，受熱自燃的兩個條件為：有外部熱源和有熱量蓄積的條件。自熱自燃?？扇嘉镔|在無外部熱源的影響下，其內部發(fā)生物理、化學或生化變化而產(chǎn)生熱量，并不斷積累使物質溫度上升，達到其自燃點而燃燒，稱為自熱燃燒。 自熱自燃的三個條件：比較容易產(chǎn)生反應熱的物質（如氧化熱,發(fā)酵熱等）、具有比較大的比表面積和良好的絕熱保溫性、產(chǎn)生的熱量大于向環(huán)境散發(fā)的熱量。11五、最小點火能量 處

7、于爆炸范圍內的可燃氣體混合物中產(chǎn)生電火花，從而引起著火所必須的最小能量稱為最小點火能。12六、氧指數(shù) 氧指數(shù)又叫臨界氧濃度或極限氧濃度，是用來對固體材料可燃性進行評價和分類的一個特征指標。材料維持有焰燃燒的以體積百分數(shù)表示的最低氧氣濃度（氧氣氮氣體系），此最低氧氣濃度稱為氧指數(shù)。因此，氧指數(shù)越高，阻燃性越好。需要說明的是，隨著溫度等條件的變化，氧指數(shù)隨之變化。13第二節(jié) 燃燒機理 在燃燒反應中，氣體分子間互相作用，往往不是兩個分子直接反應生成 最后產(chǎn)物，而是活性分子自由基與分子間的作用。 活性分子自由基與另一個分子作用產(chǎn)生新的自由基，新自由基又迅速參加反應，如此延續(xù)下去形成一系列連鎖反應。 連

8、鎖反應通常分為直鏈反應和支鏈反應兩種類型。 141516一、可燃氣體的燃燒速度 氣體燃燒速度：單位時間內燃燒表面的火焰沿垂直于表面的方向向未燃燒部分傳播的距離，m/s。 燃氣的燃燒速度用火焰?zhèn)鞑ニ俣葋砗饬俊?管道中氣體的燃燒速率與管徑有關。當管徑小于某個小的量值時，火焰在管中不傳播（阻火器原理）?；鹧?zhèn)鞑ニ俾孰S管徑的增加而增加；但當管徑增加到某個量值時，火焰?zhèn)鞑ニ俾时悴辉僭黾?，此時即為最大燃燒速率。第三節(jié) 燃燒速度17氫氣：受熱燃燒烴類氣體：受熱分解燃燒18可燃混合氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?9二、可燃液體的燃燒速度液體的著火速度和其蒸氣壓密切相關。表示方式：質量速度：每平方米面積上每小時燃

9、燒容器內液體質量kgm-2h-1。 直線速度：每小時燒掉容器內液體的高度cmh-1 。 影響因素：液體初溫、液體熱容、蒸發(fā)潛熱、火焰輻射強度、液面高低等。20三、可燃固體的燃燒速度可燃固體經(jīng)歷受熱、溶解、蒸發(fā)、分解、氧化燃燒等階段?？扇脊腆w中的不穩(wěn)定含氧基團對燃燒有促進作用，如硝基化合物，硝化纖維等。燃燒速度與比表面積有關。知識點：燃燒熱單位質量的物質在25的氧中燃燒釋放出的熱量?？扇嘉镔|燃燒、爆炸時所達到的最高溫度、最高壓力和爆炸力均與物質的燃燒熱有關。從一般的物性數(shù)據(jù)手冊中查閱。21第四節(jié) 爆炸及其特性一、爆炸概述 爆炸是物質發(fā)生急劇的物理、化學變化，在瞬間釋放出大量能量并伴有巨大聲響的過

10、程。 在爆炸過程中，爆炸物質所含能量的快速釋放，變?yōu)閷Ρㄎ镔|本身、爆炸產(chǎn)物及周圍介質的壓縮能或運動能。 物質爆炸時，大量能量極短的時間在有限體積內突然釋放并聚積，造成高溫高壓，對鄰近介質形成急劇的壓力突變并引起隨后的復雜運動。22 爆炸常伴隨發(fā)熱、發(fā)光、高壓、真空、電離等現(xiàn)象，并且具有很大的破壞作用。爆炸的破壞作用與爆炸物質的數(shù)量和性質、爆炸時的條件以及爆炸位置等因素有關。 爆炸的威力是巨大的。在遍及爆炸起作用的整個區(qū)域內，有一種令物體震蕩、使之松散的力量。爆炸發(fā)生時，爆炸力的沖擊波最初使氣壓上升，隨后氣壓下降使空氣振動產(chǎn)生局部真空，呈現(xiàn)出所謂的吸收作用。 由于爆炸的沖擊波呈升降交替的波狀氣

11、壓向四周擴散，從而造成附近建筑物的展蕩破壞。 23 化工裝置、機械設備、容器等爆炸后，變成碎片飛散出去會在相當大的范同內造成危害。化工生產(chǎn)中屬于爆炸碎片造成的傷亡占很大比例。爆炸碎片的飛散距離一般可達100-500m。 爆炸氣體擴散通常在爆炸的瞬間完成，對一般可燃物質不致造成火災，而且爆炸沖擊波有時能起滅火作用。但是爆炸的余熱或余火，會點燃從破損設備中不斷流出的可燃液體蒸氣而造成火災。 爆炸在化學工業(yè)中一般是以突發(fā)或偶發(fā)事件的形式出現(xiàn)的，而且往往伴隨火災發(fā)生。爆炸所形成的危害性嚴重，損失也較大。 24二、爆炸分類1按爆炸性質分類(1)物理爆炸：指物質的物理狀態(tài)發(fā)生急劇變化而引起的爆炸。例如蒸汽

12、鍋爐、壓縮氣體、液化氣體過壓等引起的爆炸，都屬于物理爆炸。物質的化學成分和化學性質在物理爆炸后均不發(fā)生變化。(2)化學爆炸：指物質發(fā)生急劇化學反應，產(chǎn)生高溫高壓而引起的爆炸。物質的化學成分和化學性質在化學爆炸后均發(fā)生了質的變化。252按爆炸速度分類 (1)輕爆 爆炸傳播速度在每秒零點幾米至數(shù)米之間的爆炸過程；(2)爆炸 爆炸傳播速度在每秒十米至數(shù)百米之間的爆炸過程； (3)爆轟 爆炸傳播速度在每秒1千米至數(shù)千米以上的爆炸過程。261、爆炸極限：可燃氣體或蒸氣與空氣（氧）組成的混合物在點火之后可以使火焰蔓延的最低濃度，稱為該氣體或蒸氣的爆炸下限（也稱燃燒下限）；同理，能使火焰蔓延的最高濃度稱為爆

13、炸上限（也稱燃燒上限）。當濃度低于下限時，空氣過剩，空氣的冷卻作用阻礙火焰的蔓延。當濃度高于上限時，空氣不足，火焰也不能蔓延?？扇細怏w爆炸極限的表示方式：通常用混合物可燃氣體的體積百分數(shù)，有時用單位體積中可燃物的質量表示。三、爆炸極限及其估算272、爆炸極限的影響因素：原始溫度，溫度升高爆炸極限范圍擴大。28原始壓力，壓力升高爆炸極限范圍擴大。29惰性介質，惰性介質加入爆炸極限范圍縮小。圖12表明惰性氣體種類和加入量都會影響爆炸極限范圍。30點火能源，點火能源加大使爆炸范圍變寬。31氧含量，氧含量增加爆炸極限范圍擴大。濃度低于下限不能爆炸的原因是：空氣過剩，空氣的冷卻作用阻礙火焰的蔓延。此時增

14、加氧含量，爆炸下限降低幅度不大。濃度高于上限不能爆炸的原因是：空氣不足，火焰不能蔓延。此時增加氧含量會使上限顯著提高。32點火方向，下部點火，爆炸下限值小，上限值大（范圍最大）上部點火，爆炸下限值大，上限值?。ǚ秶钚。┧近c火，介于兩者之間33容器直徑，容器直徑越小，爆炸范圍越窄。臨界直徑的計算 用散熱損失和器壁效應解釋此現(xiàn)象343、爆炸極限的估算：A、閃點法 可燃液體在閃點時的飽和蒸氣分壓正好對應著火的最低體積分數(shù)。 利用此規(guī)律可以根據(jù)閃點計算爆炸下限，或根據(jù)爆炸上限求閃點。 35B、經(jīng)驗法 L下0.55C0 L上3.5C0 36C、多組分可燃氣體的爆炸極限 經(jīng)驗公式 *各組分氣體活化能E

15、、摩爾燃燒熱Q、指前因子k等近似的混合氣才能用此公式。 *公式中需注意yaybyc.=13738D、可燃氣體與惰性氣體混合物的爆炸極限經(jīng)驗公式 394041三、爆炸范圍圖 （1）可燃氣F，助燃氣S，惰性氣體I（2）可燃氣F1、F2，助燃氣S （3）可燃氣F，助燃氣S1、S2、 4243四、爆炸與爆轟 預混物的組成或預熱條件合適，爆炸波的速度可能高達1000m/s以上，產(chǎn)生比普通爆炸的破壞力更大，稱爆轟。 爆轟現(xiàn)象只發(fā)生在一定的濃度范圍，稱爆轟范圍，其數(shù)值介于爆炸上、下限之間。44影響因素: a.混合氣體的初始溫度 b.初始壓力 c.管道或容器的長徑比 d.點火源的強度45五、分解爆炸性氣體爆炸

16、 某些單一成分的氣體，在一定的溫度和壓力下會發(fā)生分解反應（放熱），在無助燃物的情況下可能發(fā)生分解爆炸。當壓力低于某數(shù)值時，不會發(fā)生分解爆炸。如乙炔分解爆炸的臨界壓力為1.4105Pa。46六、粉塵爆炸懸浮在空氣中的可燃性煤粉、有機物、高分子、面粉等固體微粒遇到著火源時發(fā)生的爆炸現(xiàn)象稱為粉塵爆炸。A、粉塵爆炸的必要條件 燃料，粉塵顆粒在空氣中要達到一定的濃度 空氣，或氧氣，發(fā)生氧化反應 混合，由于粉塵微粒懸浮在空氣中，混合很好 點火源，一定能量的點火源 容器的密閉性，密閉的容器或空間，如果敞開空間只能發(fā)生燃燒。 47B、粉塵爆炸機理 顆粒受熱溫度上升 顆粒表面分子發(fā)生分解作用，顆粒周圍產(chǎn)生可燃氣

17、體 可燃氣體與空氣混合成爆炸性混合氣體，發(fā)生燃燒 燃燒產(chǎn)生的熱使顆粒進一步分解 燃燒連續(xù)傳播，能量聚集，發(fā)生爆炸 48C、粉塵爆炸影響因素 化學性質和組成（與該物質揮發(fā)分含量、爆炸下限濃度、點火能量等因素有關） 粒度的大小與分布（粒子直徑越小越易爆炸） 可燃氣體存在容易引發(fā)爆炸（如煤粉中的甲烷） 最小點火能量（通過實驗測定） 水分含量（水分增加最小點火能量增加） 爆炸極限（參見表14） 49七、霧滴爆炸可燃液體的霧滴在遇到適當?shù)狞c火源可能會形成火災或爆炸。通常，當霧滴的直徑小于0.01mm時，爆炸下限等于該物質氣相時的爆炸下限。當霧滴直徑達到0.6mm以上時，不能爆炸。 50八、爆炸溫度與壓力的計算 5152535455九、爆炸壓力爆炸強度a. 密閉容器中，壓力上升速度是燃燒（爆炸）速度的衡量尺度。 56b. 在不同氣體體積分數(shù)的狀況下，可通過試驗測定爆炸壓力和壓力上升速度。 57c. 點火位置與爆炸壓力上升速度有關，靠近容器中心點火壓力上升速度最大（主要考慮器壁吸熱）。d. 常見可燃