1 燃烧与爆炸基本原理

1.燃烧和爆炸基本原理化工安全工程1燃烧与爆炸基本原理主要内容燃烧和爆炸的基本燃烧与爆炸的必要条件闪点、燃点、自燃点爆炸极限最大试验安全间隙密闭空间和开敞空间气体爆炸强度粉尘爆炸特性物理蒸气爆炸化学反应失控压力容器爆炸威力爆炸事故的划分爆炸波破坏准则氧化剂是氧化还原反应里得到电子或有电子对偏向的物质，也即由高价变到低价的物质。还原剂是在氧化还原反应里，失去电子或有电子偏离的物质。燃烧是同时伴有发光、发热的激烈氧化还原反应。1.1.1燃烧活泼非金属：Cl2、Br2、O2等含高价金属阳离子的化合物：Fe3+等含高化合价元素的化合物：浓H2SO4、HNO3、KMnO4、HClO4、K2Cr2O7、K2FeO4等氧化剂活泼金属：K、Na、Al、Mg、Zn等含低价离子的化合物：Fe2+、S2-、I-等非金属单质：C、H2、Si等含低化合价元素化合物：HCl、CO、SO2、NH3等还原剂1.1燃烧的基本概念3个特征气体最容易燃烧，只要具有足够的热量即可迅速燃烧。液体燃烧是在蒸气状态下进行的，首先液体受热蒸发，其蒸气与氧化剂反应实现燃烧，通常称为蒸发燃烧。某些简单固体，如S、P等，受热后先熔化，后蒸发，随后蒸气燃烧；另外一些复杂固体，如木材，受热后分解出可燃气体，再进行气体燃烧，通常称为分解燃烧。1.1燃烧的基本概念可燃性气体燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧预混燃烧—可燃气体与空气（或氧气）混合后发生燃烧。扩散燃烧—可燃气体从管内流出后同周围空气（氧气）接触，边混合边燃烧。反应速度快，温度高，易发生爆炸反应速度慢，温度低，不易发生爆炸1.1燃烧的基本概念1.1.2化学计量浓度abcd2222CHOSOCOHO(g)SO242ccccbyadbcyad11choccyy燃料的浓度称为燃料在氧气中的化学计量浓度，表示为燃料与氧气的混合比例恰好满足下列热化学方程式时abcdCHOS1.1燃烧的基本概念abcd222222CHOSO3.77NCOHO(g)SO3.77N242ccccccccbyyadybcyad可燃气体在空气中燃烧时，若把空气组成视为氧气占20.95％，其他占79.05％，则当燃料与空气的混合比例恰好满足热化学方程式燃料的浓度称为燃料在空气中的化学计量浓度abcdCHOSchy114.77chccyy1.1燃烧的基本概念若以燃料燃烧所需的氧原子数n代替摩尔数，则可燃气体在氧气中燃烧时，以摩尔分数表示化学计量浓度为ccy12212choynn可燃气体在空气中燃烧时，若把空气组成视为氧气占20.95％，其他占79.05％，以摩尔分数表示化学计量浓度124.77214.772chynn甲烷与氧气混合物的化学计量浓度为133.3%3choy19.5%14.772choy甲烷与空气混合物的化学计量浓度为1.1燃烧的基本概念1.1.3完全与不完全燃烧在燃烧爆炸过程中，燃料气体中的C元素全部被氧化为CO2，H元素全部氧化为H2O，S元素全部被氧化为SO2，则称为完全燃烧，其他情况均称为不完全燃烧或燃烧不完全。完全燃烧反应会有两种情况燃料与空气混合气体中氧气含量，反应方程式abcd222222CHOSO3.77NCOHO(g)SO3.77N2ccccccbyyady燃料与空气混合气体中氧气含量，反应方程式ccyyccyyabcd2222222CHOSO3.77NCOHO3.77N()OSO2cbyyayyyd1.1燃烧的基本概念从燃料利用角度出发，完全燃烧比不完全燃烧放出的热量多，燃料利用率高。同时，除排放CO2气体之外，没有环境污染，也没有毒性气体CO生成。所以，实际生产中尽量保证完全燃烧。从烟囱中排出的烟气如果成白色，则燃烧较完全；如果成黑色，则燃烧不完全。从防爆抑爆角度出发，完全燃烧比不完全燃烧放出的热量多，燃烧速率大，爆炸压力高、压力上升速率大，因而更危险；一旦成灾，损失更严重。1.1燃烧的基本概念不完全燃烧，会有三种情况氧气不足，燃料刚好燃尽，所有的C元素首先被氧化为CO，无CO2生成，所有H元素被氧化为H2O，所有S元素被氧化为SO2abcdmin2min222min2minCHOSO3.77NCOHOSO3.77N22422ccbyyadyabcaydy1.1燃烧的基本概念氧气不足，燃料有剩余，。在这种条件下，只有部分C元素被氧化为CO，无CO2生成，部分H元素被氧化为H2O，部分S元素被氧化为SO2，剩余燃料气以气态分子形式存在，minyyabcd22222abcdCHOSO3.77NCOHO3.77NSO(1)CHOS24224byyaydyabcd氧气不足，燃料燃尽，。在这种条件下，所有的C元素首先被氧化为CO；由于此时仍有剩余O2，所以部分CO继续被氧化为CO2，全部H元素被氧化为H2O，全部S元素被氧化为SO2，minccyyyabcd22min2222CHOSO3.77N2()CO2()COHO3.77NSO2ccbyyyyyyyd1.1燃烧的基本概念燃料与助燃气体混合物的燃烧速率和放热量随混合比例而变化，当混合比达到某一值时，燃烧速率最大，放热量最多，称为最佳浓度。从防爆角度讲，该浓度下爆炸压力最高，升压速率最大，因而是最危险浓度。应该指出，最危险浓度并不是化学计量浓度，由于燃爆反应的不完全性，燃爆产物在高温下发生离解，以及某些二次反应等原因，通常使最危险浓度大于化学计量浓度，常见气体的最危险浓度是化学计量浓度的1.1-1.3倍，个别情况会达到1.5倍。要精确计算最危险浓度，需要弄清反应机理，确定燃烧产物的成分。1.1.4最危险浓度1.1燃烧的基本概念预混火焰燃烧过程中，通常定义以下3种燃烧速度:层流火焰燃烧速度是指反应区相对于未燃混合气的移动速度。它与反应物质有关，是反应物质的特征量。常温常压下气体的层流火焰燃烧速度称为基本燃烧速度。这个速度可在很多手册中查到。燃料与纯氧混合物的基本燃烧速度比燃料与空气混合物的基本燃烧速度高一个数量级。如甲烷/氧气混合物的基本燃烧速度为4.5m/s，甲烷/空气混合物的基本燃烧速度则只为0.40m/s。1.1.5燃烧速度与火焰速度1.1燃烧的基本概念常见碳氢燃料和空气混合物的基本燃烧速度气体分子式基本燃烧速度/m/s气体分子式基本燃烧速度/m/s甲烷CH40.40丙酮C3H6O0.54乙烷C2H60.47丁酮CH3COC2H50.42丙烷C3H80.46甲醇CH3OH0.56正丁烷C4H100.45氢H23.12正戊烷C5H120.46一氧化碳CO0.46正己烷C6H140.46二氧化碳CS20.58乙烯C2H40.80苯C6H60.48丙烯C3H60.52甲苯C6H5CH30.411-丁烯C4H80.51汽油C6H5CH30.40乙炔C2H21.80航空燃料JP-10.40丙炔C3H40.82航空燃料JP-20.411-丁炔C4H80.681.1燃烧的基本概念层流火焰膨胀速度是指在封闭系统中燃烧产生的压力升高而引起燃烧产物的膨胀速度。火焰速度是指层流火焰相对于静止燃烧壁面的运动速度。这个速度相当于前2个速度之和。即在化学爆炸过程中，由于气体膨胀作用，火焰速度远远大于燃烧速度。火焰速度不是燃料的特征量，可燃气体种类、组分、压力、温度、流动或扰动状态等都会影响火焰速度的大小。由于火焰传播的不稳定性，故火焰速度的测定易受各种条件的影响。例如，气体流动中的耗散性、界面效应、管壁摩擦、密度差、重力作用、障碍物绕流及射流效应等可能引起湍流和漩涡，使火焰不稳定，其表面变得皱褶不平，从而增大火焰面积、体积和燃烧速率，增强爆炸破坏效应。在某些条件下燃烧可转变为爆轰，达到最大破坏效果。1.1燃烧的基本概念1.1.6理论火焰温度火焰温度与燃烧条件有关，燃料特性、混合比、散热条件、约束条件等都有重要影响。一般采用绝热燃烧温度来衡量燃烧特性。如果燃烧反应所放出的热量未传到外界，而全部用来加热燃烧产物，使其温度升高，则这种燃烧称为绝热燃烧。在不计及离解作用的条件下，绝热燃烧时所能达到的温度最高，这一温度称为理论燃烧火焰温度。若绝热燃烧是在定压条件下进行的，则燃烧火焰温度称为定压理论火焰温度；若绝热燃烧是在定容条件下进行的，则燃烧火焰温度称为定容理论火焰温度。1.1燃烧的基本概念根据热力学第一定律，若绝热燃烧时不作非体积功，则定压燃烧火焰温度计算为012iRiiPiRTPTphnhnHHQ式中定压反应热、产物总焓和反应物总焓；ni、hi分别为物质摩尔数和焓值。21pPTRTQHH、、定容燃烧火焰温度的计算方法与定压燃烧火焰温度的计算方法相似。在定容条件下绝热燃烧，燃烧产物的压力将提高。依热力学第一定律012RiiPiiRTPTVununUUQ对于定容爆炸，有了理论火焰温度即可计算爆炸压力P2，按理想气体方程式有VTRnpmp22燃烧室容积V1.1燃烧的基本概念广义上爆炸是一种极其迅速的物理或化学变化，特征是突然释放大量能量或者体积急剧膨胀，压力骤升形成压缩波或冲击波，对周围物质做功，引起被作用物体变形、移动或破坏。经常伴有光、热、声效应。1.2爆炸的基本概念爆炸过程中发生物理变化的称为物理爆炸，如锅炉爆炸、压力容器因内部介质超压破裂等。物理爆炸与燃烧没有任何关系。爆炸过程中发生化学变化的称为化学爆炸，一般是既有物理变化，又有化学变化，如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉体爆炸等。化学爆炸实质上是受到约束的燃烧，约束使压力骤升，产生压力波或冲击波，因而危害性比燃烧更大。狭义上的爆炸是指化学爆炸。不是特征1.2.1爆炸及其分类气相爆炸—爆炸发生时爆炸介质完全处于气体状态，它又可分为以下2类：混合气体爆炸：可燃性气体与助燃性气体混合并达到爆炸极限后遇到火源就会引起爆炸，如氢气、天然气、瓦斯爆炸等。分解爆炸：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。按发生爆炸时爆炸介质所处的状态可分为5类1.2爆炸的基本概念液相爆炸—爆炸发生时爆炸介质主要处于液体状态，当然爆炸的实质仍是液体上方的蒸气与助燃性气体混合并达到爆炸极限后遇到火源引起的爆炸，如汽油、酒精等爆炸。固相爆炸—爆炸发生时爆炸介质处于固体状态，如TNT爆炸、黑火药爆炸等。粉尘爆炸—爆炸发生时爆炸介质是处于悬浮状态的粉尘，如煤粉、铝粉、面粉等爆炸。爆炸冲击波在传播过程中，还会扰动原来处于静止沉积状态的粉尘，使原来不具备粉尘爆炸条件的地区和场所具备了粉尘爆炸的条件，从而引起二次爆炸。化学反应失控—放热化学反应如硝化、磺化、氧化、氯化、聚合等失控引起温度迅速升高、反应速度急剧加快、内压急剧上升。1.2爆炸的基本概念密闭空间内爆炸—介质燃烧爆炸发生在封闭空间内，如压力容器或管道内的爆炸、厂房内的爆炸等.开敞空间爆炸—可燃介质在室外大气中集聚后发生的爆炸，如工厂罐区内由于可燃气体泄漏形成的气云爆炸、在空间分布的聚乙烯粉体爆炸等。半封闭空间内的爆炸—某些方向有约束而另外一些方向没有约束的爆炸，如煤矿巷道内的瓦斯爆炸等。按化学爆炸发生的场合，可分为3类1.2爆炸的基本概念1.2.2燃烧与爆炸的基本模式根据燃烧爆炸过程中火焰和压力传播情形，可燃气体的燃烧爆炸可有四种模式：定压燃烧(burnning)、爆燃(deflagration)、爆轰(detonation)和定容爆炸(explosion)。定压燃烧是无约束的敞开型燃烧，燃烧过程中，压力始终与初始环境压力相平衡，压力保持恒定不变。整个过程中，不会形成压力波，也不会形成具有破坏性的空气冲击波。定压燃烧的特征参量是定压燃烧速度，