化工安全工程第二章－燃燒與爆炸課件

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(jī)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(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)中，失掉電子的物質(zhì)被氧化，獲得電子的物質(zhì)被還原。所以，氧化反應(yīng)并不限于同氧的反應(yīng)。燃燒的判斷：劇烈的氧化還原反應(yīng)放出大量的熱發(fā)出光以上三個要點(diǎn)同時成立的才為燃燒。如，氫在氯中燃燒。金屬和酸反應(yīng)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(dǎo)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(diǎn)火源的強(qiáng)度（溫度）等。32．混合燃燒和擴(kuò)散燃燒

按照可燃?xì)怏w的燃燒過程不同，分：混合燃燒：可燃?xì)怏w與助燃?xì)怏w預(yù)先混合而后進(jìn)行的燃燒。速度快、溫度高，一般爆炸反應(yīng)屬于這種形式

擴(kuò)散燃燒：可燃?xì)怏w由容器或管道中噴出，與周圍的空氣(或氧氣)互相接觸擴(kuò)散而產(chǎn)生的燃燒。在擴(kuò)散燃燒中，由于與可燃?xì)怏w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(jìn)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?xì)怏w的燃燒。如木材和煤大都是由熱分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)行燃燒?？扇脊腆w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(dāng)可燃固體燃燒至分解不出可燃?xì)怏w時，便沒有火焰，燃燒繼續(xù)在所剩固體的表面進(jìn)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，燃燒溫度較高。

6物質(zhì)燃燒過程的溫度變化歷程T初為可燃物質(zhì)開始加熱的溫度。初始階段，加熱的熱量用于可燃物質(zhì)的熔化或分解，溫度上升較緩慢。到達(dá)T氧，可燃物質(zhì)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(dá)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(diǎn)，T自′是開始出現(xiàn)火焰的溫度，為實際測得的自燃點(diǎn)。T燃為物質(zhì)的燃燒溫度。T自到T自′的時間間隔稱為燃燒誘導(dǎo)期（著火延滯期）。

7如果按照燃燒起因，燃燒分為閃燃、點(diǎn)燃和自燃三種類型。閃點(diǎn)、著火點(diǎn)和自燃點(diǎn)分別是上述三種燃燒類型的特征參數(shù)。(1)閃燃和閃點(diǎn)

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(diǎn)。如60%的乙醇的閃點(diǎn)為22.5℃?？扇家后w的溫度高于其閃點(diǎn)時，隨時都有被火點(diǎn)燃的危險。閃點(diǎn)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(diǎn)。

四、燃燒種類9(2)點(diǎn)燃和著火點(diǎn)

可燃物質(zhì)在空氣充足的條件下，達(dá)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(diǎn)燃。點(diǎn)燃的最低溫度稱為著火點(diǎn)?？扇家后w的著火點(diǎn)約高于其閃點(diǎn)5-20℃。但閃點(diǎn)在l00℃以下時，二者往往相同。在沒有閃點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，也可以用著火點(diǎn)表征物質(zhì)的火險。

10(3)自燃和自燃點(diǎn)

在無外界火源的條件下，物質(zhì)自行引發(fā)的燃燒稱為自燃。自燃的最低溫

度稱為自燃點(diǎn)。物質(zhì)自燃有受熱自燃和自熱自燃兩種類型。①受熱自燃?？扇嘉镔|(zhì)在外部熱源作用下溫度升高，達(dá)到其自燃點(diǎn)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。②自熱自燃。可燃物質(zhì)在無外部熱源的影響下，其內(nèi)部發(fā)生物理、化學(xué)或生化變化而產(chǎn)生熱量，并不斷積累使物質(zhì)溫度上升，達(dá)到其自燃點(diǎn)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(yīng)熱的物質(zhì)（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(jìn)行評價和分類的一個特征指標(biāo)。材料維持有焰燃燒的以體積百分?jǐn)?shù)表示的最低氧氣濃度（氧氣－氮?dú)怏w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(jī)理在燃燒反應(yīng)中，氣體分子間互相作用，往往不是兩個分子直接反應(yīng)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(yīng)，如此延續(xù)下去形成一系列連鎖反應(yīng)。

連鎖反應(yīng)通常分為直鏈反應(yīng)和支鏈反應(yīng)兩種類型。1415一、可燃?xì)怏w的燃燒速度氣體燃燒速度：單位時間內(nèi)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?xì)獾娜紵俣扔没鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葋砗饬俊９艿乐袣怏w的燃燒速率與管徑有關(guān)。當(dāng)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(dāng)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(tuán)對燃燒有促進(jìn)作用，如硝基化合物，硝化纖維等。燃燒速度與比表面積有關(guān)。知識點(diǎn)：燃燒熱單位質(zhì)量的物質(zhì)在25℃的氧中燃燒釋放出的熱量?？扇嘉镔|(zhì)燃燒、爆炸時所達(dá)到的最高溫度、最高壓力和爆炸力均與物質(zhì)的燃燒熱有關(guān)。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(zhì)發(fā)生急劇的物理、化學(xué)變化，在瞬間釋放出大量能量并伴有巨大聲響的過程。在爆炸過程中，爆炸物質(zhì)所含能量的快速釋放，變?yōu)閷Ρㄎ镔|(zhì)本身、爆炸產(chǎn)物及周圍介質(zhì)的壓縮能或運(yùn)動能。物質(zhì)爆炸時，大量能量極短的時間在有限體積內(nèi)突然釋放并聚積，造成高溫高壓，對鄰近介質(zhì)形成急劇的壓力突變并引起隨后的復(fù)雜運(yùn)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(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)、爆炸時的條件以及爆炸位置等因素有關(guān)。爆炸的威力是巨大的。在遍及爆炸起作用的整個區(qū)域內(nèi)，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壓向四周擴(kuò)散，從而造成附近建筑物的展蕩破壞。23二、爆炸分類1．按爆炸性質(zhì)分類(1)物理爆炸：指物質(zhì)的物理狀態(tài)發(fā)生急劇變化而引起的爆炸。例如蒸汽鍋爐、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(zhì)的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì)在物理爆炸后均不發(fā)生變化。(2)化學(xué)爆炸：指物質(zhì)發(fā)生急劇化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓而引起的爆炸。物質(zhì)的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)爆炸后均發(fā)生了質(zhì)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(diǎn)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。26原始壓力，壓力升高爆炸極限范圍擴(kuò)大。

29惰性介質(zhì)，惰性介質(zhì)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(diǎn)火能源，點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)火方向，下部點(diǎn)火，爆炸下限值小，上限值大（范圍最大）上部點(diǎn)火，爆炸下限值大，上限值?。ǚ秶钚。┧近c(diǎn)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(yīng)解釋此現(xiàn)象343、爆炸極限的估算：A、閃點(diǎn)法

可燃液體在閃點(diǎn)時的飽和蒸氣分壓正好對應(yīng)著火的最低體積分?jǐn)?shù)。利用此規(guī)律可以根據(jù)閃點(diǎn)計算爆炸下限，或根據(jù)爆炸上限求閃點(diǎn)。

35B、經(jīng)驗法

L下＝0.55C0

L上＝3.5C0

36C、多組分可燃?xì)怏w的爆炸極限

經(jīng)驗公式

*各組分氣體活化能E、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ya＋yb＋yc＋…..=13738D、可燃?xì)怏w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?xì)釬，助燃?xì)釹，惰性氣體I（2）可燃?xì)釬1、F2，助燃?xì)釹（3）可燃?xì)釬，助燃?xì)釹1、S2、4243四、爆炸與爆轟預(yù)混物的組成或預(yù)熱條件合適，爆炸波的速度可能高達(dá)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(diǎn)火源的強(qiáng)度45五、分解爆炸性氣體爆炸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(yīng)（放熱），在無助燃物的情況下可能發(fā)生分解爆炸。當(dāng)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1.4×105Pa。46六、粉塵爆炸懸浮在空氣中的可燃性煤粉、有機(jī)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(dá)到一定的濃度空氣，或氧氣，發(fā)生氧化反應(yīng)混合，由于粉塵微粒懸浮在空氣中，混合很好點(diǎn)火源，一定能量的點(diǎn)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(jī)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?xì)怏w可燃?xì)怏w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(jìn)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(xué)性質(zhì)和組成（與該物質(zhì)揮發(fā)分含量、爆炸下限濃度、點(diǎn)火能量等因素有關(guān)）粒度的大小與分布（粒子直徑越小越易爆炸）可燃?xì)怏w存在容易引發(fā)爆炸（如煤粉中的甲烷）最小點(diǎn)火能量（通過實驗測定）水分含量（水分增加最小點(diǎn)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(dāng)?shù)狞c(diǎn)火源可能會形成火災(zāi)或爆炸。通常，當(dāng)霧滴的直徑小于0.01mm時，爆炸下限等于該物質(zhì)氣相時的爆炸下限。當(dāng)霧滴直徑達(dá)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(qiáng)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?jǐn)?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(diǎn)火位置與爆炸壓力上升速度有關(guān)，靠近容器中心點(diǎn)火壓力上升速度最大（主要考慮器壁吸熱）。d.常見可燃?xì)怏w的爆炸壓力相差不大，約7-8atm。但其壓力上升速度有很大差異。

58e.三