气体爆炸原理与防治技术(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:张云明 编著

出版社:化学工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

气体爆炸原理与防治技术

气体爆炸原理与防治技术试读:

前言

可燃气体作为生产生活中重要的化工原料和动力燃料,在石油化工、航天航空、燃烧器等行业应用广泛。近年来随着国家产业升级政策引导和清洁燃料需求引领,气体原料和燃料使用量逐年增大,例如西气东输工程、跨国燃气输送管线、煤制气工程、页岩气开发等项目得到快速发展,可燃气体在国家化学工业、动力工程领域所占比重越来越大。同时我们也需要看到,大量使用的可燃气体在发展国民经济和方便人民生活的同时,也难免带给人们灾难。可燃气体在加工、储存、输送和使用过程中,由于意外泄放或操作不当,极易引起燃料泄漏,引发火灾或爆炸事故。从安全科学与事故防治角度出发,针对可燃气体的爆炸特点,预防或弱化爆炸破坏效应、研究和分析气体爆炸致灾理论和防治技术成为目前安全工程领域亟待解决的问题。

气体爆炸是一个历史悠久又活力十足的研究领域,是燃烧学的重要组成部分。燃烧学理论和应用研究大多都是以气体燃烧为对象,在基础理论和工程实践方面虽然取得了大量的成果和实例,但是在作用机理和实际应用方面仍然有许多问题需要解决。气体的燃烧和爆炸有着复杂的理化过程,在物理化学、流体力学、传热学等多学科的长期探索和积累下,人们对有关气体燃烧和爆炸的发生发展规律和作用机理都有了一定的认识和理解,但是在复杂燃烧和高速燃烧等领域还不完善,例如湍流燃烧、爆轰推进等燃烧问题还需要进一步研究。另外,有关气体泄漏爆炸的致灾机理和防治技术方面,无论是理论研究还是工程应用还都存在较多的疑问和难题。对于应急救援过程而言,气体泄漏以及由此引发的燃烧爆炸事故仍然是最棘手和最危险的处置现场。如何合理有效地处置气体泄漏爆炸事故也是应急救援领域急需解决的问题。

近些年由于国民安全需求的提升和国家对公共安全的投入,安全工程和应急救援领域有关气体爆炸原理和防治技术方面的研究得到了长足的发展。《气体爆炸原理与防治技术》针对气体爆炸防治方面存在的问题,结合个人研究内容和近年来领域内的最新研究成果,从可燃气体爆炸原理、防治技术和现场处置策略等方面进行了系统阐述。全书一共八章,分别从气体爆炸现象与防治技术概述、气体爆炸理论基础、气体燃烧和爆炸形式、气体爆炸特性、气体燃爆致灾模式与危害特性、气体爆炸预防与控制、气体泄漏与燃爆事故应急处置以及气体泄漏与爆炸事故处置典型案例等方面,按照从理论分析到实践应用的顺序,为安全工程、应急管理和事故救援人员提供理论指导和技术支持。

本书较为系统地论述了气体爆炸的物理化学基础理论、基本模式、特征参数,全面分析了可燃气体泄漏爆炸事故致灾模式和危害特性,并针对性地提出了灾害预防与控制技术措施和抢险救援现场处置方法。理论部分力求深入浅出,实践部分尽量简单实用,为读者开展理论学习和实践操作提供必要的基础和线索。本书适用于安全科学和应急救援专业理论和实践教学课程,可以作为安全管理人员和一线抢险救援工作者的实践指导参考书,亦可用于中高级指挥员抢险救援指挥决策参考。

在本书撰写过程中参考了相关文献,引用了一些已有的相关资料,在此对所有作者表示衷心的感谢。

由于本书涉及基础理论和应用实践等诸多内容,加之作者知识水平和工作经验有限,书中难免存在不妥之处,敬请广大读者批评指正。编著者  2018年6月 第1章 气体爆炸现象与防治技术概述

随着人类社会的快速发展,工业和居民生活中涉及可燃气体的场所越来越多。在石油化工企业的生产中,会产生各种各样的可燃气体,可燃气体也经常作为这些企业生产过程中的原料。而在人们的日常生活中,液化石油气、天然气、煤气等可燃气体燃料也是随处可见。可燃气体作为生活、生产的主要动力燃料和化工原材料,为人类生活、生产提供便利的同时,也会引发火灾和爆炸事故。对于可燃气体来说,在加工、储存、输送和使用过程中,由于意外泄漏或操作不当,容易形成爆炸性混合物,一旦混合气体被意外点燃,就会引发气体爆炸事故,全世界每天都会发生各种气体火灾与爆炸事故,造成了重大的人员伤亡和财产损失。因此,研究气体的燃烧及爆炸规律,对于预防此类事故以及事故发生后的救灾都具有重要意义。从安全科学与工程科学角度出发,防止可燃气体点火燃烧爆炸、预防或弱化爆轰波的破坏作用是气体燃烧和爆炸研究的重要内容。1.1 气体爆炸基础知识1.1.1 气体爆炸的相关概念(1)气体爆炸

爆炸是指物质从一种状态经过物理变化或化学变化突然变成另一种状态,并放出巨大的能量,同时产生光和热或机械功的现象。爆炸的主要特征是压力的瞬时急剧升高,并对周围物体形成急剧突跃压力的冲击,造成机械性破坏效应。

气体爆炸是指有气体参与的爆炸现象,例如,常见的内燃机中的燃烧爆炸、可燃气体泄漏爆炸、矿井瓦斯爆炸、储压气体容器破裂爆炸等现象。气体爆炸具有一般爆炸发生发展的共性特征,同时也具有其自身的特点和规律。气体爆炸一直是学术界关注的课题,这方面的研究工作可分为三方面:一是动力燃烧方面,主要研究内燃机内的气体和蒸气燃烧效率与做功稳定性等,开发安全高效的机械设备;二是军事应用领域,主要研究燃料-空气炸药的燃烧性能和爆炸威力,开发先进武器;三是工业防爆场所,主要研究可燃气体的燃烧过程和爆炸威力,以便有针对性地提出防爆措施。

生产、生活爆炸灾害中,气体爆炸发生率最高,危害也最大,从安全防爆技术角度来看,必须探索和总结这些特点和规律,分析研究爆炸的引发、形成、扩展和效应的全过程,这样才能有针对性地去预防、抑制、消除这类爆炸,设计制订各种科学有效的防爆措施,采取科学的救援处置策略,从而实现保护人民生命财产安全的目的。(2)气体燃烧

燃烧是一种发光放热的快速氧化还原反应,人们对燃烧的最直观认识就是“火”,当可燃气体在空气中遇到合适的点火源时就会着火燃烧。燃烧是现代社会的主要动力来源,如发电厂燃气轮机、化工厂燃气锅炉、交通工具中的内燃机都是以燃烧产生的热能为动力;冶金、化工、玻璃、水泥、陶瓷等生产过程都是以燃烧为能量供给方式;人们生活中的烹饪、采暖都普遍采用燃烧装置作为热源。而在喷气、火箭等先进推进技术高速发展的背景下,爆轰理论与技术的发展使大推重比高效爆轰推进技术成为可能。

气体燃烧是指以气相存在的物质发生的燃烧反应,从本质上说,气体燃烧也是一种伴有发光、发热的激烈的氧化还原反应。气体最容易燃烧,只要具有足够的热量即可迅速燃烧。可燃气体与空气混合后发生燃烧称为预混燃烧,而可燃气体从管内流出后同周围空气接触,边混合边燃烧称为扩散燃烧。预混燃烧反应速率快,温度高,容易导致压力急剧增大,引发爆炸效应。(3)燃烧与爆炸的关系

燃烧和爆炸是两个相关的概念,由各自定义可知,燃烧是指一种发光发热的剧烈的氧化还原反应,而爆炸则是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。燃烧必然发生氧化还原反应,但是并不是所有的燃烧过程都会产生压力突变和机械功。根据燃烧时的压力特征和能量传递机理,可将其分为定压燃烧、爆燃和爆轰,定压燃烧就是大多数燃烧器和火灾的燃烧形式,爆燃和爆轰即为爆炸。爆炸必然存在压力突变和对外的机械功,但是并不是所有爆炸都会发生化学反应。根据爆炸时的物性变化特性,可将其分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸,其中只有化学爆炸才包含化学反应。燃烧与爆炸相交于化学爆炸,它兼具化学反应和压力突变的特征,两者关系如图1-1所示。图1-1 燃烧与爆炸的关系

气体爆炸主要包括物理爆炸与化学爆炸两类,而化学爆炸又包括混合气体爆炸和气体分解爆炸。对于气体爆炸来说,单纯的蒸气爆炸就是典型的物理爆炸;可燃气体与空气混合遇火源引起的爆炸就是典型的混合气体爆炸;分解性气体加热条件下不需要氧化剂就可以发生的爆炸就是典型的气体分解爆炸。混合气体爆炸主要发生氧化还原反应,气体分解爆炸主要发生分解反应,因此,严格意义上来说,混合气体爆炸才是燃烧反应。考虑到各种类型的气体爆炸发生的频次和危害程度,本书将重点关注混合气体爆炸,书中未明确提及分解爆炸和蒸气爆炸概念时,所遇到的有关爆炸的概念、特性以及参数均是针对混合气体爆炸而言的。

燃烧和爆炸有着密切的关系。对于最常见的混合气体爆炸,其燃烧与爆炸的化学反应实质是相同的,都属于氧化还原反应。两者的差异通常是反应速率和能量释放方式上的不同。就混合气体化学爆炸而言,爆炸过程就是一种典型的带有压力波的燃烧过程。在经典燃烧学理论中,混合气体的实际燃烧方式主要包括定压燃烧、爆燃和爆轰类型,因此,燃烧学中的各种燃烧理论都是普适理论,都适用于混合气体爆炸,混合气体爆炸仅仅是燃烧中能量释放比较激烈的一种方式。

理解燃烧和爆炸概念时,另外一组容易混淆的概念是火灾事故和爆炸事故,通常意义上的火灾事故本质就是定压燃烧,而爆炸事故通常是指一种带有压力波的燃烧,它又分为爆燃和爆轰两种方式。因此,本书所涉及的爆炸原理很多直接来源于经典燃烧学理论。1.1.2 气体爆炸的分类

气体爆炸的分类方法很多,可以按照爆炸前后物质发生的变化分类,也可以按照爆炸事故过程的类型分类,还可以按照爆炸反应的相进行分类。1.1.2.1 按爆炸前后物质发生的变化分类

爆炸按照物质变化可分为物理爆炸、化学爆炸、核爆炸三类,本书中涉及的气体爆炸包括物理爆炸和化学爆炸两类,核爆炸不是本书的研究内容。(1)物理爆炸

物理爆炸是指因物质状态或压力发生突变而形成的爆炸,其主要特征在于物理爆炸前和爆炸后物质的性质及化学成分并不改变。物理爆炸发生的前提是系统存在或瞬间产生大量气体,并且气体聚集会造成系统压力急剧升高,最终以机械功的形式对外做功,如锅炉爆炸、储压容器爆炸、汽车轮胎爆炸、蒸气爆炸等,其中最典型的重大灾害爆炸事故为沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)。

物理爆炸是由物理变化(温度、体积和压力等物理因素变化)引起的。在物理爆炸的前后,爆炸物质的性质及化学成分均不改变。锅炉的爆炸是典型的物理爆炸,其原因是过热的水迅速蒸发出大量蒸汽,使蒸汽压力不断提高,当压力超过锅炉的极限强度时就会发生爆炸。又如,氧气钢瓶受热升温,引起气体压力提高,当压力超过钢瓶的极限强度时即发生爆炸。发生物理爆炸时,气体或蒸气等介质潜藏的能量在瞬间释放出来,会造成巨大的破坏和伤害。例如,某钢厂一列拖着钢渣罐的火车开到矿渣厂,在卸车时突然有3个钢渣罐(钢渣有上千摄氏度高温)先后滚到水塘里,顿时发生了蒸汽爆炸(水变成500℃的蒸汽时,体积将增大3500倍),只见钢渣罐像火球一样飞向空中,有一个罐飞出70m远并落在工棚上,引起工棚着火,另外两个罐飞到101m远的修建队仓库以及附近的房屋,共烧毁1000多平方米建筑物,烧死、烧伤多人,有几个重伤人员在抢救中死去。上述这些物理爆炸是蒸汽和气体膨胀力作用的瞬时表现,它们的破坏性取决于蒸汽或气体的压力。(2)化学爆炸

由化学变化引起的爆炸包括可燃气体与助燃气体混合引起的爆炸、气体分解爆炸(如CH)、炸药爆炸(复杂分解爆炸)、可燃雾22滴爆炸、混合危险物质的爆炸等。化学爆炸一般经历两个阶段:一是爆炸源的化学反应在瞬间完成,并产生大量气体和热量,由于时间很短,气体产物来不及扩散而占据爆炸源原始空间,而热量也来不及传递,全部用来加热气体,因此产生高压气体,这一阶段取决于化学反应;二是高压气体急剧向周围扩散,挤压周围空气,产生压力冲击波,并引起空气振荡从而产生声响,同时造成周围人、物的破坏,化学能转变为热能和机械能。

① 气体分解爆炸 分解爆炸是指在外界作用(包括摩擦、撞击、加热、压缩、冲击波等)下,分解性物质通过自身分解反应引起的爆炸现象。分解爆炸是不需要添加助燃气体的,因此一般不发生燃烧反应,爆炸所需要的能量一般是由爆炸物本身分解时放出的分解热提供的,如乙炔银、雷汞等固体物质的爆炸。某些气体由于分解产生很大的热量,在一定条件下也可能产生分解爆炸,在受压的情况下更易发生爆炸,如高压存储的乙烯、乙炔发生的分解爆炸等。

气体的分解爆炸是以伴随放热的分解反应为主且发生特殊的分解火焰。所谓分解爆炸,就是在分解时能放出热量的气体,如石油工业中广泛遇到的乙烯、氧化乙烯以及金属焊接和熔断中所用的乙炔等,都在一定的条件下发生分解,这些物质在分解的过程中能放出相当大的热量,使分解出来的气体受热膨胀,造成压力急剧升高和释放,从而导致爆炸。分解爆炸并不一定要有助燃气体。有人曾在爆炸时对所谓分解火焰的特殊火焰的发生与传播进行观察,发现其状态与气体爆炸极为相似。分解爆炸的气体虽然被称为分解爆炸性气体,但其中绝大多数是可燃性气体,它与空气混合后,同样存在着气体爆炸的危险。可将分解爆炸作为气体爆炸的特殊类型来进行研究和处理。

能够发生爆炸性分解的气体,在温度、压力等作用下会释放相当数量的热量,从而给燃爆提供了所需的能量。生产中常见的乙炔、乙烯、环氧乙烷、二氧化氮和二烯等气体,都有发生分解爆炸的危险。

某些气体即便在没有空气或氧气的情况下同样可以发生爆炸,如乙炔在没有氧气的情况下,若被压缩到200kPa以上,遇火星就能引起爆炸。乙烯、氧化乙烯、氧化乙炔、四氟乙烯、丙烯、臭氧、一氧化氮等也具有类似的性质。出现这种情况的原因在于这类气体在分解时能放出大量的热量,使分解出来的气体受热膨胀,造成压力急剧升高。

② 混合气体爆炸 所有的可燃气体、蒸气与空气所形成的爆炸性混合物的爆炸均属于混合气体爆炸。这类物质的爆炸需要同时具备一定的条件(足够的爆炸物质的含量、氧含量及点火能量等),其危险性比上述两类爆炸低,但由于这类物质普遍存在于工业生产的许多领域,因此,它造成的爆炸事故也较多,危害很大。

混合气体爆炸通常是可燃气体与空气混合达到爆炸极限浓度,然后遇到火源发生的燃烧现象。混合气体爆炸在化学上是可燃性气体燃烧的一种形式,是受燃烧反应、热力学及气体力学相互作用所支配的一种现象。

在实验条件下,混合气体点火后火焰在预混气中正常传播时,会产生二氧化碳和水蒸气等燃烧产物,同时放出热量,使产物受热、升温、体积膨胀。如果受热膨胀的燃烧产物不能及时排走,会发生爆炸。在实验室中可以发现,当气体在长形容器的中部点燃时,燃烧产物一开始可以自由地膨胀,直到火焰到达容器的器壁,此后,燃烧产物将沿着容器的两个方向膨胀。在此期间,如果易燃气体是烃类化合物蒸气,其火焰最初以约每秒几米的速度传播。管道内火焰燃烧产物的膨胀会引起火焰前未燃气体运动。在一定时间后,这种运动的未燃气体会呈现紊流状态,其后果之一是火焰锋的燃烧速率增大。这种燃烧过程会使火焰继续加速至相当高的程度。火焰加速运动伴随产生的冲击波形成带有压力波的燃烧现象,这就是爆炸。如果燃烧继续被加速,当火焰前后的压力增加至相当高的程度,则最终可能实现燃烧转爆轰,引起极其严重的爆炸现场。

工矿企业的爆炸事故以化学爆炸居多,本书着重讨论气体化学爆炸。1.1.2.2 按燃烧模式分类

气体燃烧爆炸的变化范围很宽。从速度量级来考察,常见烃类化合物气体燃料与空气计量配比混合物的基本燃烧速率为0.5m/s量级,而同样燃料混合物转变成爆轰时,其波阵面传播速度可达2000m/s量级,速度变化跨4个数量级。从压力量级来考察,从气体燃烧负压到含能材料的爆轰,压力跨6个数量级。

可燃气体燃烧过程按照反应机理和火焰传播速度划分可以分为定压燃烧、爆燃和爆轰。

定压燃烧是指燃烧系统的压力保持恒定的燃烧形式。定压燃烧通常发生在敞开环境下的慢速燃烧过程中,燃烧速率较慢,燃烧时产物能够自由膨胀和排放,因此,每一时刻都能够达到压力与初始环境压力平衡。

爆燃则是一种带有压力波的燃烧。爆燃波火焰面以亚音速传播,由于压力波的传播速度比火焰阵面要快,压力波必然行进在燃烧波前面,因此,前导压力波和火焰面构成两波三区的结构。爆轰是以超音速传播(相对于波前未反应混合物)的带化学反应的冲击波。

爆燃波与爆轰波最直接的区别在于波面结构和传播速度。爆轰波火焰面与冲击波耦合,并以每秒千米以上的超音速传播;爆燃波火焰面与前导压力波解耦,火焰面以亚音速传播。爆轰波与爆燃波的本质区别则体现在反应机理上。爆轰波通过前导冲击波的绝热压缩作用引起紧随其后的化学反应过程;爆燃波则是依靠热量传递实现未燃气体的化学反应。由于定压燃烧也是通过导热而使火焰传播的燃烧过程,因此,从化学反应本质上来说,定压燃烧是爆燃的一种特例,二者的区别仅仅是火焰面前压力波的存在与否。

比较以上三种典型的燃烧模式,我们发现爆燃是一种受外界环境影响很大的燃烧状态,火焰传播过程中如果后方燃烧约束减弱,前导压力波就会减弱直至消失,则爆燃波就会弱化为定压燃烧;如果燃烧约束增强,压力波强度增强,火焰加速,则火焰面会逐渐赶上前驱压力波,火焰阵面和压力阵面耦合形成爆轰波。因此,爆燃波是一种特定条件下的爆炸性反应过程,火焰传播与爆炸特性因边界条件的不同而不同,是一种典型的不确定燃烧状态。相比之下,爆轰和定压燃烧则属于稳定的燃烧过程。爆轰通过前导冲击波的绝热压缩作用支持火焰燃烧,而化学反应又反过来维持冲击波的强度,稳定状态的爆轰波不受外界条件的影响,具有稳定的传播速度,因此,稳定的爆轰状态被认为是燃料极限燃烧的固有属性,爆轰参数是此种燃料的本征参数。通过对气体燃料的爆轰特性参数的研究,可以为燃料高速燃烧特性积累基础数据,为高速燃烧的工程应用和爆炸事故预防提供理论支持。而在定压燃烧过程中,由于燃烧速率小,燃烧产物能够自由膨胀和外逸,未燃气体压力保持恒定,这使得火焰传播完全依靠气体传热、传质将热量从火焰表面传给邻近未燃气体燃料,使未燃气体温度升高到着火温度而燃烧,因此,燃烧的火焰会一层层地向未燃气体传播,当火焰以层流状态传播时,就形成了层流燃烧过程。层流燃烧和湍流燃烧是从气体流动和火焰面结构角度对燃烧过程进行分类的。层流燃烧火焰厚度薄,火焰表面光滑,燃烧速率小,而湍流燃烧火焰增厚,表面粗糙,脉动明显,火焰传播快。湍流燃烧速率主要随火焰变形以及物质和热量输运的增加而增大,相比于层流燃烧过程,其火焰传播速度除了与化学反应速率相关外,还与流动状态直接相关。因此,无论从火焰压力特征还是从流动特征分析,层流燃烧属于稳定燃烧过程,其燃烧过程仅与混合物的物理化学属性相关,是气体燃料一般燃烧过程的固有属性,而层流燃烧速率也成为燃料的一个本征参数。实际上,前人在研究定压燃烧时通常使用的一个特征参量即层流燃烧速率,他们认为该速率取决于燃料的输运速率和化学反应速率。对于大多数烃类燃料空气混合物,常温常压和理论当量比条件下的燃烧速率一般为0.5m/s量级。而在测量层流燃烧速率时,定压环境也是实验测试的基本要求。1.1.3 气体爆炸的条件

爆炸发生的条件很复杂,不同爆炸性物质的爆炸过程有其独有的特征。1.1.3.1 物理爆炸的条件

物理爆炸是一种极为迅速的物理能量因失控而释放的过程。在此过程中,体系内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来,转变成机械功、光和热等能量形态。从物理爆炸发生的根本原因来看,爆炸发生的条件可概括为:构成爆炸的体系内存在高压气体,或由于爆炸瞬间生成的高温高压气体或蒸气的急剧膨胀,爆炸体系和它周围的介质之间发生急剧的压力突变。锅炉爆炸、压力容器爆炸、水的大量急剧汽化等均属于此类爆炸。1.1.3.2 化学爆炸的条件

化学爆炸是以化学反应驱动的爆炸反应,爆炸过程有两个特征,即反应过程放热、反应过程速率极快并能自动传播。这两个特征是化学反应成为爆炸性反应所必须具备的,而且是相互关联、缺一不可的条件。下面对每个条件的重要性和意义进行概略的讨论。(1)反应过程的放热性

反应过程的放热性是化学反应能否成为爆炸反应的最重要的基础条件,也是爆炸过程的能量来源。没有这个条件,爆炸过程就不能发生,当然反应也就不能自行延续,因此,也就不可能出现爆炸过程的自动传播。

爆炸反应过程所放出的热量称为爆炸热(或爆热)。它是反应的定容热效应,是爆炸破坏能力的标志,同时也是爆炸危险性的重要特征参数。常用炸药的爆热一般为3700~7500kJ/kg。对于混合爆炸物来说,其爆热就是燃烧热,有机可燃物的燃烧热为48000kJ/kg左右。(2)反应过程的高速率

混合爆炸物质是事先充分混合、氧化剂和还原剂充分接近的体系,所以,它们能够发生快速的逐层传递的化学反应,使爆炸过程以极快的速率进行。这是爆炸反应和一般化学反应的一个最重要的区别。一般化学反应也可以是放热的,而且有许多化学反应放出的热量甚至比爆炸物质爆炸时放出的热量大得多,但它未能形成爆炸,其根本原因就在于它们的反应速率慢。例如,1kg木材的燃烧热为16700kJ,它完全燃烧需要10min;1kgTNT炸药的爆炸热只有4200kJ,它的爆炸反应只需要几十微秒。二者所需的时间相差千万倍。

由于爆炸物质的反应速率极快,实际上可以近似认为爆炸反应所放出的能量来不及逸出,全部聚集在爆炸物质爆炸前所占据的体积内,从而造成了一般化学反应所无法达到的能量密度。正是由于这个原因,爆炸物质爆炸才具有巨大的功率和强烈的破坏作用。

例如,1kg煤块和1kg煤气的燃烧热都是29000kJ,一块1kg的煤块完全燃烧约需10min,它是一种燃烧过程,而1kg煤气和空气混合后,大约只需0.2s即可烧完,属于爆炸过程,这些煤气和空气的混合气在炸药引爆的条件下只需0.7ms就能反应完毕,属于爆炸中的爆轰状态。根据功率与做功时间成反比的关系,可算出它们的功率为:1kg发热量为29000kJ的煤块燃烧时发出的功率为48kW;1kg发热量为29000kJ的煤气和空气的混合气爆燃时发出的功率为140MW;1kg发热量为29000kJ的煤气和空气的混合气发生爆轰时发出的功率为41GW。这个例子清楚地说明爆炸过程的速率快与相应的释放反应热的速率快是爆炸过程的主要特征。

另外,多数爆炸反应过程必须形成气体产物。在通常的大气压条件下,气体密度比固体和液体的密度要小得多。气体具有可压缩性,它比固体和液体有大得多的体膨胀系数,是一种优良的工质。爆炸物质在爆炸瞬间生成大量气体产物,由于爆炸反应速率极快,它们来不及扩散膨胀,被压缩在爆炸物质原来所占有的体积内。爆炸过程在生成气态产物的同时释放出大量的热量,这些热量也来不及逸出,都加给了生成的气体产物。这样就使得在爆炸物质原来所占有的体积内形成了处于高温、高压状态的气体。这种气体作为工质在瞬间膨胀做功,由于功率巨大,对周围物体、设备、房屋就会造成巨大的破坏作用。可见,爆炸过程中气体产物的生成是发生爆炸的重要条件。1.1.3.3 混合气体爆炸的条件

可燃气体和可燃液体蒸气的爆炸实质上是可燃气体本身或与空气或氧的快速氧化反应,属于化学爆炸。其主要特征是快速燃烧产生的高温产物膨胀,从而产生爆炸冲击波,导致被作用物体产生大变形乃至破坏。混合气体爆炸系统发生爆炸必须同时满足燃烧的基本条件,同时又要满足化学爆炸的普适条件。混合气体爆炸作为一种特殊的氧化还原反应,必须要满足3个基本条件:

① 有合适浓度的可燃气体;

② 有合适浓度的助燃气体;

③ 有足够能量的点火源。

这里“合适浓度”指的是可以发生爆炸的浓度。每种燃料气体在氧气或空气中都有一个可以发生爆炸的浓度范围,这个浓度范围称为爆炸极限。超出气体爆炸极限,即使用很强的点火源也不能激发爆炸。通常爆炸都离不开氧气或空气作为助燃气,而氧气的浓度实际上是与可燃气浓度相对应的,过高或过低都不能发生爆炸。每种气体都有一个最低点火能量,当点火能量低于这个值时就不会发生爆炸。

同时,作为一种爆炸反应形式,混合气体的燃烧反应必须放热,并且燃烧反应要能够迅速形成压力波。只有同时满足以上条件,混合气体的燃烧反应才会发生爆炸效应。1.2 常见气体爆炸事故

爆炸一直是学术界关注的课题。这方面的研究工作可分为两方面。一方面用于军事领域,主要研究凝聚相炸药爆炸和燃料-空气炸药等爆炸物的爆炸威力,目的是开发先进武器。另一方面用于工业防爆,主要研究可燃气体的爆炸威力,以便有针对性地提出防爆措施。气体爆炸自古以来都被认为是爆炸事故的主要形式,也是现代工业和生活中发生的最严重的一类灾害形式,其中又以可燃性气体与助燃性气体的混合爆炸最为常见。

混合气体爆炸是一种非点源爆炸,与凝聚炸药爆炸有很大的区别,这类爆炸取决于环境条件。例如,密闭容器中气体爆炸和敞开容器中蒸气爆炸可以有全然不同的爆炸形式和破坏作用。常见烃类化合物气体和空气混合点火后,敞开容器中的燃烧速率仅为0.5m/s左右,但在密闭容器中火焰速度能达到每秒几米至几十米,容器中压力最终能达0.7~0.8MPa。在最危险的条件下,密闭容器中的混合物还能从燃烧转向爆轰,其爆轰阵面速率可达2~3km/s,压力可达1.5~2MPa,产生极严重的破坏作用。在有些情况下,这种非理想爆炸可以经历低速燃烧、爆燃到爆轰的全过程,火焰速度和爆炸压力等参量可以跨越4~6个数量级。这种非理想爆炸过程的复杂性给研究和控制带来了许多困难,科学工作者们不得不分门别类地研究这类爆炸。

爆炸事故的发生总有一定的原因和过程。用系统安全工程学理论分析爆炸事故发生的来龙去脉,采取具体、准确、适用的爆炸防护措施,爆炸事故是可以避免或减轻的。1.2.1 着火型爆炸

容器、管道、塔槽等(以下称容器)内部的危险性物质由点火源给以能量,引起着火、燃烧,造成压力急剧上升,就会发生有约束爆炸事故。例如油船、储罐和封闭建筑,如果混合气体浓度处在爆炸极限范围内,遇到适当的火源就会引起爆炸。封闭容器中的爆炸有两种性质不同的极端情况。(1)纯超压型爆炸

一般对长径比L/D<5的封闭空间,如内部没有紧密排列的设备和隔板等障碍物,则该密闭空间内可燃气体点燃后形成只受到单纯超压破坏的爆炸。在这种情况下,混合气体在着火后,火焰以爆燃形式扩展,爆炸压力的上升速率相对较慢。尽管这种爆炸产生的冲击波较弱,但往往也能引起封闭体(如厂房、建筑物)的破坏,因为一般的建筑物、船舱等在典型的低超压(7~70kPa)作用下就有可能发生开裂破坏。这类爆炸的外部爆炸波效应比较小,是一种低能量密度的爆炸源。(2)火焰加速型爆炸

在长径比L/D≥5且内部有较密集的隔板和设备等障碍物的密封体内,混合气体点火后,火焰的传播会引起火焰前面气体的运动,这种气体运动能在障碍物处产生大尺寸的湍流,这种湍流可引起有效火焰面积的迅速扩大,扩大的火焰又会引起压力更快升高和湍流火焰的进一步相互作用。这个过程可以导致封闭体内某些局部气相爆轰,这些局部点的压力会突然升高,初始常压的可燃气体爆轰压力可达2MPa左右,这就可能造成局部性的严重破坏。这类爆炸(爆轰)通常能产生强冲击波和高速碎片,因此对外部环境的破坏比单纯超压爆炸要大。

没有按防爆结构设计的封闭容器内如果充满了可燃蒸气或气体,一旦遇火源就会爆炸。用煤气、天然气或燃料油作燃料的工业炉或锅炉的爆炸事故基本上都属于纯超压爆炸。大多数油船的爆炸都发生在具有低长径比的空间(船舱)内,也属于纯超压爆炸,极个别的情况下也能转成爆轰。商业建筑物、居民住宅区和粮库地下运粮通道等发生爆炸时,往往产生波的传播和火焰在密闭通道中的加速,从而使爆燃转向爆轰,以致事故迅速扩大,波及范围极广,破坏力极强。1.2.2 泄漏型爆炸

由于阀门打开或容器裂缝之类的破坏,容器内部的危险物质泄到外部,与空气混合达到极限浓度时,遇火源即可发生爆炸。这种爆炸一般被称为开敞空间可燃气云爆炸。可燃气体一旦发生了泄漏,随后就可能发生下面3种情况。

① 泄漏的可燃气体在没有着火之前就消散掉,没有爆炸危险性。

② 泄漏的可燃气体在泄放口上高速喷射、摩擦或静电点火。在这种情况下,一般只引起喷射火灾而不爆炸。

③ 泄漏物扩散到广阔的区域,经过一段延滞时间后,可燃气云被点燃,接着发生火焰传播,由于存在某些特殊原因和条件,火焰传播被加速,产生危险的爆炸冲击波超压,即气云爆炸。

开敞空间内的可燃气体爆炸不符合理想爆源的特征(点源爆炸特征),这种工业可燃性气体爆炸的爆源的能量密度远远低于凝聚相炸药。工业可燃性气体爆炸事故大多是由弱点火(点火能量小于100J,实验条件下继续提高点火能量可以引起爆轰直接起爆)点燃可燃气体引起的,其传播形式大多是以亚音速传播的爆燃波。爆燃波的传播过程很复杂,受环境条件和物理因素的影响极大。可燃气体遇火源被点燃后,若发生层流或近似层流燃烧,对普通烃类化合物而言,其火焰速度为5~30m/s。这种速度太低,不足以产生显著的爆炸超压,在这种条件下蒸气云仅仅是燃烧。所以,讨论气云爆炸就是考察蒸气云如何从低速燃烧转变为具有较高速度的燃爆,甚至发展成为极端的爆轰状态。

实验表明,紊流是其中的关键因素。在燃烧传播过程中,由于遇到障碍物或受到局部约束,引起局部紊流,火焰与火焰相互作用产生更高的体积燃烧速率,使膨胀流加剧,而这又使紊流更强烈,从而又能导致更高的体积燃烧速率,结果火焰传播速度不断提高,可达层流燃烧的十几倍乃至几十倍,发生爆炸反应。

其中,紊流发生的方式主要有以下3种。

① 源激发产生的紊流 比如,喷射型泄漏或灾难性的容器爆裂导致的剧烈扩散中,云团与周围的空气产生强烈的紊流。

② 火焰在受约束的空间传播产生的紊流 如隧道、桥梁、设备装置密集的厂房、拥挤的停车场等。正因为如此,工艺设备布局密集的化工厂、炼油厂、铁路机车调度站等是蒸气云爆炸的多发地点,历史上发生的事故也充分证明了这一点。

③ 初始点火能量产生的紊流 实际上,强点火源不仅能引起爆燃,甚至可以直接导致爆轰,而爆轰时的燃烧速率是每秒几千米,在实际工业事故中直接引起的爆轰是极为罕见的,通常爆轰状态的爆炸事故是由火焰加速形成的。1.2.3 反应失控型爆炸

化学反应热的蓄积使温度上升,反应速率加快,使该物质的蒸气压力或分解气体的压力急剧上升,引起容器破坏性爆炸。如果正在进行的受控化学反应是放热反应,并在工艺控制中受到了某种干扰(例如催化剂太多、失去了足够的冷却、不适当的搅拌等),就会导致反应器内压力急剧升高,当压力高于容器耐压能力时就发生破裂。反应失控轻者能造成停产和财产损失,重者会带来人员伤亡和环境污染等严重后果。如果物料是液体,并且该液体的温度高于瞬时挥发温度,则爆炸作用就像BLEVE爆炸那样。

化学反应很多是在高温高压下进行的化合、分解及聚合反应。如果反应容器内的温度超出正常的规定范围而异常升高,会使反应速率按指数规律增长,即为反应失控,进而导致压力迅速升高,引起爆炸事故。由于化工生产原材料及产品多具有较大的毒性和腐蚀性,如果发生泄漏造成严重的环境污染,其间接损失更是难以估量。1.2.4 平衡破坏型蒸气爆炸

平衡破坏型蒸气爆炸是由过热液体蒸发引起的爆炸,即密闭容器内的液体在高压下保持蒸气压平衡时,如果容器破坏,蒸气喷出,因内压急剧下降而失去平衡,使液体暂时处于不稳定的过热状态,由于急剧汽化,残留的液体冲破容器壁,这种冲击压的作用使容器再次破坏,发生蒸气爆炸。

当容器中含有高蒸气压液体时,一旦容器破裂,或者较大口径的安全阀或爆破片打开后,蒸气便迅速喷出,容器内压力迅速下降,容器内液体由于压力突然降低而呈现过热状态,当达到一定的过热极限时,液体便开始急剧沸腾蒸发,使容器内压力再次升高,直至容器破裂,这种现象称为沸腾液体膨胀蒸气爆炸(boiling liquid expended vapor explosion,BLEVE)。沸腾液体膨胀蒸气爆炸往往是由外部热源加热引起的。例如,液化石油气(LPG)罐车,由于外部热源或邻区着火等诱发因素,罐内液体会剧烈膨胀气化,使储罐破裂。油气储罐的爆炸强度取决于液面上方空间自由蒸气的体积和浓度。接近空罐往往是最危险的状态,因为此时自由蒸气空间体积接近最大值,爆炸强度也达到最大值。如果储罐中的液体是可燃的,而由外部明火加热引起了储罐沸腾液体膨胀蒸气爆炸,则会复杂一些。在这种事故中,BLEVE爆炸产生一个飘浮的火球,火球的持续时间和大小由发生爆炸瞬间储罐所装燃料的总重量确定。如果储罐比较大,火球发出的热辐射还能烧伤裸露的皮肤和点燃附近的可燃物。

最为惊人和危险的BLEVE爆炸事故发生在铁路运输中,且大多数是装载高蒸气压可燃液体的储槽车,如载液化石油气、丙烷、丙烯、丁烷、氯乙烷等的储槽车。发生这种事故往往是由于列车出轨,槽车无次序地堆挤,使某一辆槽车的管子挤裂,或者储槽车被挂钩冲破,逸出的可燃气着火,火焰喷射而烤热了邻近的储槽车,并使这些槽车上的安全阀被冲开,于是产生了更多的“火炬”。热量从这些“火炬”传播给邻近的槽车,终于引起其中某个槽车发生BLEVE爆炸。爆炸使东倒西歪的槽车重新排布,同时产生危险的“火箭发射”作用,即高速喷出的可燃气燃烧的过程相当于一个火箭发动机,产生巨大的推力,撞击邻近的车辆和建筑物,引起事故的进一步扩大,产生多个爆炸点源。火焰继续燃烧时,重新排布的槽车不时地再次逐个发生BLEVE爆炸,有时三四小时一次,有时甚至几天一次。曾经有过接连六次的BLEVE爆炸事故记录。1.3 气体爆炸防治技术

气体爆炸防治理论和技术是以气体爆炸特性和致灾模式为基础的,研究气体燃烧爆炸理论及其规律就是为了防爆泄压或科学处置,提出针对性的预防控制措施和现场处置技术措施。预防控制措施主要是从安全工程学角度通过技术手段实现爆炸预防和爆炸灾害减弱技术,现场处置技术是从应急救援角度通过技术手段实现气体泄漏、着火或爆炸现场抢险救援。1.3.1 可燃气体灾害事故的特点(1)突发性强

可燃气体、蒸气泄漏往往是气体爆炸的前奏,泄漏气体处置不当极易引发严重的气体爆炸事故。一般气体泄漏事故是在非常态下随机发生的,虽然存在着发生征兆和预警的可能性,但是由于它的发展过程有一个难以觉察的从量变到质变的转变过程,事故一旦发生,其破坏性的能量就会迅速释放,并呈快速蔓延之势,且发生的时间、地点、方式、影响程度和造成的后果等往往难以预测。(2)扩散范围广

通常可燃气体装置和容器内储存的是液化气体或压缩气体,一旦发生泄漏,容器内储存的气体会迅速喷射泄漏,体积膨胀扩大,并随风飘移,大面积扩散。比空气轻的气体向上扩散流动,比空气重的气体则会沿地面扩散,在低洼处积聚,很难以有效的方法加以控制,短时间内即可扩散至较大范围。(3)危害性大

泄漏气体往往具有特殊的物理化学性质,其伤害形式特殊,伤害途径众多。泄漏事故一旦发生,大量易燃易爆气体就会迅速扩散到空气中。易燃易爆气体扩散到空气中,与空气形成爆炸性混合物,极易发生火灾、爆炸事故。(4)应急处置难度大

可燃气体泄漏事故的应急救援往往需要在带压情况下进行堵漏,技术比较复杂。另外,可燃气体发生泄漏的部位、裂口大小及罐体内的压力等原因各不相同,采取堵漏、输转、引火点燃、洗消等措施时,技术要求特别高,处置难度大。1.3.2 爆炸预防与控制技术措施

在实际工程和日常生活中,要防止化学性爆炸,就必须避免爆炸的三个基本条件同时存在和共同作用,这是预防可燃物质产生化学爆炸的基本理论,也是防止可燃物质发生化学爆炸的实质。1.3.2.1 消除爆炸根源

在工艺的设计、安装和生产中,应消除和避免可燃性气体、蒸气泄漏和积聚,以防形成爆炸性混合物,消除爆炸根源。

① 在生产工艺的设计、制造、施工、生产、检修、维护、试验过程中,应尽量采用密闭流程,尽可能消除或避免可燃液体、可燃气体、可燃粉尘、可燃纤维从设备、容器、管道、储罐的阀门、法兰、焊缝、轴封、结合面等部位向外泄漏并积聚。

② 加强易燃易爆物质的运输、装卸、储存、输送和使用方面的管理,认真执行防火防爆的有关规定,杜绝和减少爆炸性混合物产生的根源。

③ 加强对生产设备的轴封、水封、油封、气封以及对壳体、结合面密封的监视,防止外泄和内漏。

④ 合理布置总平面和单体平面,在总平面布置中应尽量限制和缩小危险区域的范围,将不同等级的爆炸危险区或者爆炸危险区与非爆炸危险区分隔在各自的厂房或界区内,应尽量将易爆厂房与其他非爆炸厂房、露天生产装置、油罐区分隔开,并留有一定的安全距离,以防爆炸事故蔓延。

⑤ 工艺管网应合理布置排放口、放空口、取样口,应尽量减少法兰、丝扣等活动连接部位。管线应减少地下沟、坑的敷设,尽量减少地下或半地下建(构)筑物。

⑥ 采用氮气或其他惰性气体覆盖易燃易爆物质,使危险物质与空气隔离。

⑦ 提高自动安全保护水平,采用安全联锁装置,装设自动报警装置,及时消除易燃易爆物质的外泄或内漏。

⑧ 爆炸危险区应设置两个以上的出入口,其中至少有一个通向非爆炸危险区。出入口的门应向爆炸危险性较小的区域开启。1.3.2.2 缩短爆炸性混合物留存时间

防止并严格控制爆炸性混合物的形成,减小其达到爆炸极限范围的概率,缩短爆炸性混合物留存时间。

① 建筑物的设计、施工应采用露天或开敞式,或者采用机械防尘和通风措施,以利于可燃性气体、蒸气、粉尘、纤维的扩散和稀释。例如,液化石油气罐装处和生产操作间等应采用开敞式,输煤系统煤粉飞扬处应装设除尘装置。

② 设置必要的通风装置,加强通风。对制氢站、供油泵房、乙炔发生器间、石油库的输油泵房等及其类似工艺的生产厂房,设计时宜在屋顶上开窗或装通风帽,墙壁上装百叶窗,从而达到室内空气自然流通的效果。对于封闭建筑可进行机械通风,强制空气流通,从而减小爆炸性混合物浓度达到爆炸极限的概率。

③ 使系统保持正压,防止空气进入可燃气体中。例如,氢气管道系统应经常保持正压运行;乙炔气瓶在使用中不得用尽,应保持最低安全压力,防止空气进入乙炔瓶。

④ 生产中应严格遵守工艺规程,适时进行自动控制,及时投入自动监控和安全保护装置,严格控制易燃易爆物质与空气混合的比例,防止达到爆炸浓度极限。

⑤ 在爆炸危险环境内设置正压室,防止可燃物质侵入。

⑥ 严格遵守安全规程,在检修氢气、乙炔等可燃性气体管道或容器时,必须用惰性气体置换,直至可燃气体的含量达到爆炸下限值的10%以下。可燃液体储罐或储桶检修时,必须用蒸气吹洗干净,当油气含量小于0.3mg/L时,方允许动电火焊。

⑦ 采用氮气、其他惰性气体、水蒸气等取代氧气或空气混合物,以抑制爆炸性混合物的形成。1.3.2.3 加设安全装置(1)预防性安全装置

预防性安全装置是用于防止正常情况下发生爆炸的装置,通常包括以下装置。

① 成分控制装置,如掺入惰性气体从而控制混合比例。

② 温度控制装置,如油加热温度超过定值时,立即将加热源断开。

③ 着火源切断装置,如短路故障切除装置、自动喷水洒水装置、预防静电发生装置。

④ 防止火焰传播装置,如阻火器、回火防止器、冷却器、安全罩、充填环、隔离带等。

⑤ 控制发生聚合分解装置,如加入反应抑制剂、进行冷却等。

⑥ 控制反应失控装置,如控制异常反应、控制聚合或分解反应等。

⑦ 预防着火装置,如自动喷水装置、蒸气幕、水幕、惰性气体幕等。

⑧ 自动报警装置,当温度、压力、流量、浓度、气体含量等达到规定值时,自动发出声、光报警信号。对装置所在的区城内散发和积累的爆炸性气体和蒸气进行浓度测量,当其浓度接近混合物爆炸下限的50%时,发出报警声、光信号或切断电源,即可迅速采取措施进行处理,防止爆炸事故发生。

⑨ 对工艺过程进行计算机在线监控,提高自动化操作水平和安全监控水平。(2)减轻性安全装置

减轻性安全装置是当发生爆炸危险时,用于降低火灾和爆炸危险程度的装置,通常包括以下几种。

① 泄压装置,如安全阀、防爆门、安全板、泄压膜、回流阀、放空阀等,以防止高气压继续升高。

② 截止流体和防止回流装置,如紧急关切阀、快速切断阀、防止过流阀、逆止阀等。

③ 装设自动报警装置,根据报警装置发出的声、光、数字、光字牌等信号,采取紧急措施,降低爆炸危险程度。

④ 防护设施,如防火堤、防火墙、事故储油坑、挡油设施、隔断墙、防爆墙等。1.3.2.4 消除点火源

每一种爆炸性混合物都有一个引起爆炸的最小着火能量,如氢气的最小着火能量为0.019mJ,只有低于最小着火能量,混合物才不会爆炸。因此,消除、控制明火和引爆能量是防止爆炸性混合物发生爆炸事故的重要措施。(1)常用明火

常用明火如烟火、烟花、放炮、电焊火花、取暖炉(电炉、煤炉、煤油炉、煤气炉、木材炉)等,应严格遵守生产现场防火防爆安全规定,禁止将明火带入爆炸危险环境,防止可燃物质与明火接触等。如需要使用明火,应采取严格的安全措施并经批准。(2)机械摩擦、冲击、撞击

① 摩擦 严格控制介质在容器和管道中的流动速度;彻底清除管道和容器中的铁锈和杂物;严格控制可能产生火花的两种物质的相对接触压力和移动、摩擦的速度;防止机械传动和皮带传动中的皮带轮、减速机、电动机的滑环和整流子摩擦发热升温等。

② 撞击 防止铁器与其他金属、石材、坚硬的混凝土路面等的撞击;在爆炸危险场所禁止使用铁器工具、穿带钉子鞋、装铁门窗,而应使用防爆型工具,穿布底鞋或胶底鞋,装设木门窗等。

③ 冲击 防止可燃液体的高势能冲击下落;防止外来飞溅物的冲击、气锤的冲击、倒塌物的冲击等。(3)高温热体

爆炸危险环境中的高温热体,如蒸气管道、缸体、炉体、疏水管道、锻件等,应尽量避开或可靠隔离。当难以避开时,应保温良好,使表面温度不超过所在介质的闪点及自燃温度的50%,一般应不超过50℃。(4)绝热压缩

在与周围不进行热交换的状态下压缩气体时,压缩过程中所耗的功全部转变成热能,这种热能蓄积于气体内使温度上升,进而可能引起燃烧和爆炸。(5)冲击波

应对爆炸危险环境做好防护、隔离、缓冲和屏蔽等措施,减缓外在爆炸冲击波能量的作用,尤其要防止爆轰直接起爆的发生。(6)雷电火花

爆炸危险环境防雷保护的设计、安装应严格执行《电力设备过电压保护设计技术规程》及《建筑物防雷设计规范》的规定,防雷保护装置应能可靠正确动作,以减少雷电火花的影响。(7)静电火花

为有效防止静电荷的产生、积累和火花放电,应严格执行《电力设备接地设计技术规程》《石油库设计规范》《防止静电事故通用导则》。(8)电气火花及表面高温

在爆炸危险环境中,由于电气线路或电气设备短路、过载、接触不良、铁芯发热,产生高温、电弧或火花从而引起爆炸的概率很高。因此,应采取消除或控制电气设备和线路产生火花、电弧和高温的措施。1.3.3 泄漏爆炸现场处置技术措施

可燃气体泄漏后,事故的处置一般有关阀、堵漏、倒罐、转移、放空、点燃等方式。(1)关阀

关阀是指通过中断泄漏设备物料的供应从而控制灾情的发展。如果泄漏部位上游有阀门且阀门没有损坏,应首先关闭该阀门,泄漏自然会消除。(2)堵漏

堵漏是指当管道、阀门或罐体壁发生泄漏,且泄漏点处在阀门以前或阀门损坏不能关阀止漏时,可使用各种针对性的堵漏器具封堵泄漏口,控制气体储罐内物料的泄漏。常用的封堵泄漏口的方法有调整间隙消漏法、机械堵漏法、气垫堵漏法、胶堵密封法和磁压堵漏法等。(3)倒罐

倒灌是通过输转设备和管道将液态化学品从事故容器倒入安全装置或罐体内的操作过程。当可燃气体采用关阀、堵漏等方法不能制止泄漏时,可采取疏导的方法通过输送设备和管道将泄漏容器内部的液体倒入其他容器、储罐中,以控制泄漏量和配合其他处置措施的实施。常用的倒罐方法有压缩机倒罐、烃泵倒罐、压缩气体倒罐和压差倒罐四种。(4)转移

转移是指当罐体、容器、管道内的液体大量外泄,堵漏方法不奏效又来不及倒罐时,可将事故装置转移到安全地点处置。首先应在事故点周围的安全区域修建围堤或处置池,然后将事故装置及内部的液体导入围堤或处置池内,再根据泄漏液体的性质采用相应的处置方法。(5)点燃

点燃是指当无法有效地实施堵漏或倒罐处置时,可采取点燃措施使泄漏出的可燃性气体或挥发性的可燃液体在外来引火物的作用下稳定燃烧,控制其泄漏,降低或消除泄漏气体的毒害程度和范围,避免气体扩散后达到爆炸极限从而引发燃烧爆炸事故。第2章 气体爆炸理论基础2.1 气体爆炸化学基础

可燃气体燃烧和爆炸时的化学反应过程都是以化学热力学和化学动力学为基本理论。化学热力学是要了解化学反应进行的方向和能量关系,动力学则是了解反应进行的速率以及中间的历程,即反应机理。化学动力学与化学热力学是相辅相成的,动力学的研究必须以热力学的结果(确定反应有可能发生)为前提条件,而热力学只有与动力学相结合才能全面解决化学反应的实际问题。2.1.1 气体爆炸热力学理论

气体燃烧爆炸存在物质变化和能量之间的相互转化和传递,即化学能转变为热能以及热能的传递过程,而化学热力学就是从能量转化的角度研究物质的热性质,揭示能量从一种形式转化为另一种形式时所遵从的宏观规律,因此,气体燃烧爆炸中有关能量的转化问题就是以热力学定律为基础的。化学热力学是利用热力学第一定律来分析化学能转变为热能时的相互关系,利用热力学第二定律分析化学平衡的条件以及在平衡时的平衡常数与自由能关系的一门学科。对于气体燃烧爆炸过程,化学热力学主要解决燃烧反应能否自发进行和反应平衡问题。

热力学研究方法是一种宏观的研究方法,研究对象为宏观物质。热力学中的系统的概念就是我们的研究对象,与此对应的环境是指系统以外与系统相互作用的其他物体。研究气体燃烧和爆炸中的热力学问题时,根据系统与环境之间相互作用的不同,通常将系统划分为以下3类。

① 开放系统:系统与环境之间既有物质交换又有能量交换。

② 封闭系统:系统与环境之间只有能量交换而无物质交换。

③ 孤立系统:系统与环境之间既无物质交换又无能量交换。2.1.1.1 生成焓与燃烧热(1)内能

任何物质都具有能量,一个系统的能量通常包括系统的动能E、k系统的势能E和系统的内能U三部分。化学热力学中通常研究宏观静p止的系统,即E=0;如果不存在特殊的外力场并忽略地球引力场的k影响,则E=0,这时系统的总能量就是内能U。p

内能又称热力学能,一定量的某种物质的内能与物质的种类、温度、压力、体积等性质有关,它是系统的状态函数,其变化值只与始态、终态有关,而与途径无关。由于组成系统物质结构的复杂性和内部相互作用的多样性,系统内能的绝对值的大小是无法测量的,但它随系统状态变化而产生的变化值ΔU可以从系统与环境在变化过程中的能量交换中得到。(2)热力学第一定律

热力学第一定律是能量守恒及转换定律。该定律认为,自然界的能量有各种不同的形式,如热能、机械能、电磁能等,能量不会自生自灭,只能从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,但在转化和传递过程中总能量保持不变。

对于封闭系统,当系统的状态发生改变时,系统与环境之间没有物质传递,只有热和功的交换。如果系统从环境中吸收热量使系统从始态内能U变化至终态内能U,根据热力学第一定律,系统内能的12改变量ΔU等于系统从环境中吸收的热Q和环境对系统所做的功W之和,即:ΔU=U-U=Q+W  (2-1)12

这就是封闭系统的热力学第一定律的数学表达式。(3)反应热与焓

燃烧爆炸反应都会产生大量的热,通常称为反应热。反应热是指发生化学反应时,在系统不做非体积功的条件下,当反应物和生成物的温度相同时,化学反应过程所吸收或放出的热量用符号ΔH表示。对于在定容或定压条件下进行的化学反应,其反应热分别称为定容反应热和定压反应热。

① 定容反应热 对于定容过程,如果不考虑非体积功,则环境对系统做功为零,即W=0。根据式(2-1)变化可得定容反应热:Q=ΔU  (2-2)V

所以,定容燃烧过程反应放出的热量等于内能的减少,或吸收的热量等于内能的增加。

② 定压反应热与焓 对于定压过程,系统做功与体积变化相关,由于系统燃烧膨胀需要反抗外压p,所做的功可以表示为:W=-pΔV  (2-3)

根据式(2-1)变化可得定压反应热的表达式为:  (2-4)

若引入一个新的变量焓(用符号H表示),并将其定义为:H=U+pV  (2-5)

则式(2-4)可以改写为:Q=(U+pV)-(U+pV)=H-H=ΔH  (2-6)p221121

焓是系统能量的一种组合形式,而其变化量焓变ΔH是定压条件下的反应热。燃烧和爆炸是以大量产生热量为条件的,因此燃烧和爆炸反应都是焓值减少的放热反应。

③ 生成焓与标准摩尔生成焓 化学反应中由稳定单质发生反应生成某化合物时的反应热称为该化合物的生成焓,也称为生成热。在101.3kPa和指定温度(一般是298K)下,由稳定单质生成1mol某物质的定压反应热称为该物质的标准摩尔生成焓,也称为标准摩尔生成热,用Δ表示。在任何情况下,参考状态单质的标准摩尔生成焓f均为零。表2-1为某些物质的标准摩尔生成焓。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书

若在网站上没有找合适的书籍,可联系网站客服获取,各类电子版图书资料皆有。

客服微信:xzh432

登入/注册
卧槽~你还有脸回来
没有账号? 忘记密码?