燃烧与爆炸基本原理ppt课件

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 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 1 1燃烧的基本概念 6 1 1燃烧的基本概念 7 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 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 甲烷与氧气混合物的化学计量浓度为 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 8 1 1 3完全与不完全燃烧 1 1燃烧的基本概念 9 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SO2 1 1燃烧的基本概念 11 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 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 1 1燃烧的基本概念 12 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 13 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 1 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 1 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 大多饱和烃类气体与空气混合物的燃烧速度为0 5m s量级 如果气体燃烧过程中 火焰遇到约束 或者由于扰动而使火焰加速 则会形成压力波 这样的过程称为爆燃 爆燃是一种带有压力波的燃烧 火焰以亚音速传播 压力波则以当地音速向前传播 行进在火焰阵面之前 形成两波三区结构 1 2爆炸的基本概念 爆轰是气体爆炸的最高形式 它以超音速传播 火焰阵面与冲击波阵面重合 跨过波阵面 压力和密度都是突变的 烃类气体与空气混合物的爆轰速度大多在1800m s量级 爆轰压力在1 5 3MPa 在空气中喷洒易燃物质 气体 液体或固体 形成可燃混合物 然后用雷管儿点燃 点火能量大于1000J 从而迅速形成爆轰波 产生强大的杀伤力 这就是燃料 空气炸药 定容爆炸是可燃气体与空气混合物在给定体积的刚性容器内的燃烧过程 爆炸过程释放的能量被气体本身吸收 温度升高 压力升高 1 2爆炸的基本概念 影响最小点火能量的因素主要有气体温度 浓度 压力和惰性气体含量 气体温度越高 压力越大 处于最危险浓度 惰性气体含量越小 点火能量越低 1 3燃烧和爆炸的必要条件 有合适浓度的可燃气体有合适浓度的助燃气体 氧化剂 有足够能量的点火源 两金属电极间火花放电点火能量 静电火花的点火能量 爆炸极限 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 1 3 1气体燃烧与爆炸的基本条件 工业中的粉体一般是粒径小于850 m的固体颗粒 粒度越小 表面积越大 例如把直径为100mm的球切割成直径为0 1mm的球时 表面积增大了999倍 从而化学活性越高 氧化速度越快 燃烧越完全 爆炸下限越小 爆炸威力越大 粒度越小 越容易均匀悬浮于空气中 发生爆炸的几率也越大 粉体的含湿量对其燃烧性能影响很大 当可燃粉体的含湿量超过一定值后 就会成为不燃性粉体 粉体爆炸的四个基本条件 粉体颗粒足够小有合适的可燃粉体浓度有合适浓度的氧气有足够能量的点火源 1 3 2粉尘燃烧与爆炸的基本条件 1 3燃烧和爆炸的必要条件 1 4 1闪点与燃点的概念 液体表面总有一定量的蒸气存在 可燃液体表面的蒸气与空气接触就会形成可燃混合物 遇到火源就会燃烧甚至爆炸 液体表面蒸气量与液体温度有关 温度很低时 液体表面蒸气很少 它与空气的混合物不能被明火点燃 当温度增加到某一值时 混合物的燃烧只出现瞬间的火苗或闪光 称为闪燃 此时的温度称为该液体的闪点 可燃混合液体的闪点随其浓度不同而变化 如纯乙醇的闪点为9 乙醇含量为80 水溶液的闪点为19 乙醇含量为5 水溶液的闪点为62 乙醇含量为3 的水溶液不会闪燃 1 4闪点与燃点 可燃液体的危险等级是根据闪点来划分的 闪点在45 以下的为易燃品 如汽油 煤油 闪点在45 以上的为可燃品 如柴油 润滑油 闪点是评定可燃液体火灾爆炸危险性的主要指标甲类液体 闪点小于28 的液体 如原油 汽油等 乙类液体 闪点大于或等于28 但小于60 的液体 如喷气燃料 灯用煤油 丙类液体 闪点大于60 以上的液体 如重油 柴油 润滑油等 选用润滑油时 应根据使用温度考虑润滑油的闪点高低 一般要求润滑油的闪点比使用温度高20 30 以保证使用安全和减少挥发损失 闪点低的润滑油在工作过程中容易蒸发损失 严重时甚至引起润滑油粘度增大 影响润滑油的使用 1 4 2闪点与燃点的用途 1 4闪点与燃点 1 4 3闪点的测量 开口闪点 GB T267 适用于重质润滑油和深色石油产品闭口闪点 GB T261 适用于闪点在150 以下的轻质油品同一个油品 其开杯闪点较闭杯闪点高20 30 开口测量仪闭口测量仪 1 4闪点与燃点 1 4 4沸点与初馏点 沸点为单一物质在一定压力下由液态转变为气态的温度值 闪点和沸点都能表示物质的挥发性 区别是只有易燃液体有闪点 碳氢化合物的闪点与沸点之间存在近似如下关系 单一液体常用沸点表示剧烈挥发时的状态 混合液体由于每种液体有一个沸点 所以其沸腾温度是一个区间 初馏点指其刚刚开始沸腾时的温度 由于是混合液体 沸腾后其温度仍然会继续升高至其中沸点最高的一种液体沸腾为止 初馏点越低其挥发性也越强 1 4闪点与燃点 自燃是在无外界火源条件下 物质自发着火燃烧的现象 物质自燃可分为受热自燃和自热自燃两种形式 受热自燃 在外部热源作用下 物质温度不断升高 当达到自燃点时即发生着火燃烧 自热自燃 在没有外界热源情况下 由于物质内部发生化学 物理或生化过程而产生热量 使物质温度升高 达到自燃点时发生燃烧 发生自然时的温度称为自燃点 AIT 可燃介质的自燃温度也随浓度而变化 通常情况下 化学计量比浓度下自燃点最低 自燃温度还随压力增高而降低 例如苯在0 1MPa时 自燃温度为680 而在1MPa时为590 1 5自燃与自燃点 1 6爆炸极限 爆炸极限 可燃物质 可燃气体 蒸气和粉尘 与空气 或氧气 必须在一定的浓度范围内均匀混合 形成预混气 遇着火源才会发生爆炸 这个浓度范围称为爆炸极限 可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度 分别称为爆炸下限和爆炸上限 例如一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12 5 80 可燃性混合物的爆炸极限范围越宽 爆炸下限越低和爆炸上限越高时 其爆炸危险性越大 爆炸下限越低则可燃物稍有泄漏就会形成爆炸条件 爆炸上限越高则有少量空气渗入容器 就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件 1 6 1爆炸极限的概念 爆炸极限的单位 气体或蒸气的爆炸极限的单位 是以在混合物中所占体积的百分比 来表示的 如氢与空气混合物的爆炸极限为4 75 可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积的质量比g m3来表示的 可称为质量爆炸极限 例如铝粉的爆炸极限为40g m3 1 6爆炸极限 1 6 2爆炸极限的影响因素 可燃气体或蒸气的种类及化学性质的影响 C C型单键的碳氢化合物 爆炸上下限范围小 C三C型三键相连的碳氢化物 爆炸上下限范围较大 C C型二键相连的碳氢化合物 爆炸极限范围介于之间 混合均匀程度的影响 燃气与空气充分混合均匀 爆炸极限范围大 温度的影响 爆炸性混合物的温度越高 爆炸范围就越宽 1 6爆炸极限 初始压力的影响 真空度对丙酮爆炸极限的影响 正压对甲烷爆炸极限的影响 1 6爆炸极限 初始压力对爆炸极限的影响 1 6爆炸极限 惰性介质或杂质的影响 氮气对一氧化碳在空气中爆炸极限的影响 爆炸性混合物中惰性气体含量增加 其爆炸极限范围缩小 当惰性气体含量增加到某一值时 混合物不再发生爆炸 1 6爆炸极限 惰性气体的种类不同对爆炸极限的影响亦不相同 1 6爆炸极限 在一般情况下 爆炸性混合物中惰性气体含量增加 对其爆炸上限的影响比对爆炸下限的影响更为显著 这是因为在爆炸性混合物中 随着惰性气体含量的增加氧的含量相对减少 而在爆炸上限浓度下氧的含量本来已经很小 故惰性气体含量稍微增加一点 即产生很大影响 使爆炸上限急剧下降 水等杂质对其反应影响很大 如果无水 干燥的氯没有氧化功能 干燥的空气不能氧化钠或磷 干燥的氢氧混合物在1000 下也不会产生爆炸 少量的水会急剧加速臭氧 氯氧化物等物质的分解 少量的硫化氢会大大降低水煤气及其混合物的燃点 加速其爆炸 1 6爆炸极限 实验管径和材质的影响 甲烷 空气混合物的爆炸极限实验结果 现在经常利用密闭管道或球形容器进行爆炸极限实验 判别是否发生爆炸的依据是观测到火焰或压力达到200mmHg 26 66kPa 1 6爆炸极限 点火能量的影响 部分气体的最小引爆能量 1 6爆炸极限 1 6 2爆炸极限的计算 单一燃料在空气中的爆炸极限的估算 1 若燃料完全燃烧所需的氧原子数为n 则以可燃气体摩尔分数表示的爆炸极限为 2 依据燃料的化学计量浓度估算 1 6爆炸极限 42 3 根据燃料闪点进行计算 4 爆炸上限与爆炸下限之间近似关系 燃料闪点下的饱和蒸气压为总压 1 6爆炸极限 43 5 对于有机物CnHmOp 可利用标准燃烧热进行估算 对于有机物CnHmOpNq 包括胺类 硝基化合物 腈类及含氮杂环化合物等 可利用标准燃烧热进行估算 Q为有机物标准燃烧热 kJ mol 以若难以查到燃烧热时 C为燃料分子中C原子总数 X为结构参数 由有机物官能团结构确定 2 4爆炸极限的计算 44 有机物官能团结构参数X取值 1 6爆炸极限 6 利用1mol有机可燃气体按化学计量浓度燃烧所需的氧气摩尔数进行计算 1 6爆炸极限 46 多种可燃气体混合物在空气中的爆炸极限的估算 1 在已知各组分在空气中爆炸极限的情况下 根据理 查德里 LeChatelier 法则进行计算 yi是组分i的摩尔分数yLi是组分i的爆炸下限yUi是组分i的爆炸上限 1 6爆炸极限 47 2 利用1mol有机可燃气体完全燃烧所需的氧气摩尔数进行计算 假设一种由n种有机可燃气体组成的混合气体 其各组分的体积百分数分别为yi i 1 2 n 各组分完全燃烧所需要的氧气系数分别为ycci i 1 2 n 则1mol体积的混合气体处于爆炸极限时所需的氧气摩尔数应当为各组分处于爆炸极限时所需的氧气摩尔数之和 1 6爆炸极限 48 当只有两个可燃组分时 爆炸极限可用三角形表示 应用时 过组分A所占比例点作与B线平行的线 同理 过组分B所占比例点作与A线平行的线 两者的交点就是世纪所处位置 从而可以判别是否处于爆炸极限之内 1 6爆炸极限 49 可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限的估算 1 若可燃气体为甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 一氧化碳和 或 氢气 则首先将混合物分成以下组合 CO CO2CO N2H2 CO2H2 N2CH4 CO2CH4 N2 计算各组中惰性气体与可燃气体的摩尔比 查图得各组分爆炸极限 1 6爆炸极限 50 1 6爆炸极限 2 若可燃气体为其他气体 则按下式进行估算 yfL yfU为混合物中可燃气体混合物的爆炸下限和上限B为惰性气体含量 1 6爆炸极限 53 例1试估算甲烷的爆炸极限 解法一 甲烷的完全燃烧反应方程 所需的氧原子数为 解法二 甲烷的化学计量浓度为 1 6爆炸极限 54 解法三 甲烷的完全燃烧反应方程为 所需的氧气摩尔数为 解法四 利用燃烧热计算公式 1 6爆炸极限 55 例2苯的闪点为 14 查得 14 下的饱和蒸气压为1 47kPa 试计算100kPa下苯的爆炸极限 解 1 6爆炸极限 56 例3某混合气体摩尔组成为甲烷80 乙烷15 丙烷4 丁烷1 试计算爆炸极限 1 6爆炸极限 57 解法二 代入得 1 6爆炸极限 58 例4某混合物的摩尔组成为58 CO 19 CO2 2 H2 20 N2 1 O2 试计算爆炸极限 1 6爆炸极限 59 查图得 1 6爆炸极限 60 解法二 58CO 20N2 78 CO N2 查图得 2H2 19CO2 21 H2 CO2 查图得 1 6爆炸极限 61 解法三 由于 1 6爆炸极限 62 1 6 4可燃气体在氧气中的爆炸极限 可燃气体在氧气中的爆炸极限具有以下特性 1 可燃气体在氧气中的爆炸下限与可燃气体在空气中的爆炸下限相差不大 这是因为 无论对于可燃气体与氧气混合物还是对于可燃气体与空气混合物 在爆炸下限处存在大量的过量氧气 两者的不同之处就在于以氧气替换了氮气 而氧气与氮气的物理性质 例如比热容 密度等 都非常接近 所以对点燃过程影响不大 1 6爆炸极限 63 这是因为 对于可燃气体与空气混合物 在爆炸上限处氧气是不足的 此时以氧气替换氮气 无疑补充了氧气的不足 满足了爆炸过程对氧气的需求 从而使本来不能发生爆炸的气体变成了可爆气体 2 可燃气体在氧气中的爆炸上限远远高于可燃气体在空气中的爆炸上限 1 6爆炸极限 64 3 与可燃气体在空气中的爆炸极限相似 当压力增大时 爆炸上限增加很大 而爆炸下限变化不大 4 对于多组分可燃气体混合物在氧气中的爆炸极限也可利用理 查德里法则进行估算 5 爆炸范围随温度的升高而增大 6 有些气体或蒸汽在空气中是不会被点燃的 但在氧气中却会发生爆炸 1 6爆炸极限 65 1 6 5可燃气体在其他氧化剂中的爆炸极限 1 6爆炸极限 66 可燃气体在N2O NO Cl2中的爆炸极限有以下特点 1 可燃气体在一氧化二氮中的爆炸下限一般比在氧气中的爆炸下限还低 这是因为N2O容易发生分解反应 而分解过程中会放出热量 2 与可燃气体在空气中的爆炸极限相似 当压力增大时 爆炸上限增加很大 而爆炸下限变化不大 3 对于多组分可燃气体混合物在氧气中的爆炸极限也可利用理 查德里法则进行估算 4 爆炸范围随温度的升高而增大 1 6爆炸极限 67 1 6 6含氧量安全限值 除了控制可燃组分浓度之外 还可以通过控制混合气中氧气的含量来为防止可燃气体爆炸 利用惰性气体替换空气 即可使混合气中的氧含量降低 惰性气体的热容越大 抑爆效果越好 氮气 水蒸气 二氧化碳等都是常用的惰性气体 抑爆效果依次提高 用于惰化时所允许的氧含量 安全限值 越高 与控制可燃组分浓度类似 控制氧气浓度也必须考虑混合气体组分 1 6爆炸极限 68 爆炸性气体不同 或惰性气体不同 含氧量安全限值都是不同的 有的气体差别较大 事实上 氮气对氯气 粉尘的爆炸下限几乎没有影响 1 6爆炸极限 69 部分有机物质的含氧量安全限值计算结果 与爆炸极限类似 最精确的获得含氧量安全限值的方法就是针对具体工况进行试验 在缺乏实验数据的情况下 利用氮气作为惰性气体时 最小氧含量处于爆炸下限的可燃气体完全燃尽所需要的氧含量 根据反应方程式计算 1 6爆炸极限 70 例5试求一氧化碳在空气中的爆炸的最小氧含量 已知一氧化碳在空气中的爆炸下限是12 5 解 一氧化碳爆炸的化学反应方程式 故 1 6爆炸极限 71 最大试验安全间隙 MESG 是按标准进行试验 火焰不能通过25mm长的接合面的最大间隙 将一个可调间隙的标准外壳置于试验箱内 并在标准外壳与试验箱内同时充以已知的相同浓度的爆炸性气体混合物 然后点燃标准外壳内部的混合物 通过箱体上的观察窗观测标准外壳外部的混合物是否被点燃爆炸 通过调整标准外壳的间隙和改变混合物的浓度 找出在任何浓度下都不发生传爆现象的最大间隙 即为所需要测定的最大试验安全间隙 MESG 1 7最大试验安全间隙 部分可燃性气体或蒸气的最大试验安全间隙值 1 7最大试验安全间隙 1 8 1火焰传播 理想情况 火焰始终以球面沿径向向球形容器壁传播 没有沿壁面的运动 也不会有边界层形成 火焰把球形容器分成3个区 已燃区 燃烧区和未燃区 由于燃烧放热 已燃区和燃烧区气体温度迅速上升至火焰温度 从而使容器内压力升高 1 8密闭空间内气体爆炸强度 火焰在开始阶段上呈球面向外传播 随着传播距离的增大 靠近壁面处 由于受到避免冷却和摩擦作用 火焰有所变形 远离壁面处 仍近似以球面向外传播 随着火焰接近障碍物 火焰阵面下部的气体流动受阻 使得此处火焰滞后 而火焰的上部 由于流通截面变小而使得气体加速流动 火焰前锋越过障碍物后 火焰阵面发生急剧变形 在障碍物后形成漩涡 燃烧速率显著加快 1 8密闭空间内气体爆炸强度 1 8 2爆炸强度 衡量爆炸强度的指标主要有爆炸压力 爆炸压力上升速率和爆炸指数 爆炸指数KG 对气体爆炸 或Kst 对粉尘爆炸 是指最大爆炸升压速率与爆炸容器容积的立方根的乘积 即 对各种浓度下的可燃混合气进行爆炸试验 测得各个pm最大值称为最危险爆炸压力pmax 各个的最大值称为最危险升压速率 各个KG的最大值称为最危险爆炸指数 1 8密闭空间内气体爆炸强度 可燃气体爆炸压力随气体浓度的变化呈现先增大后减小的趋势 在略大于化学计量浓度出达到极值点 1 8密闭空间内气体爆炸强度 甲烷 空气爆炸压力与浓度的关系氢气 空气爆炸压力与浓度的关系 可燃气体爆炸压力上升速率随气体浓度的变化呈现先增大后减小的趋势 在略大于化学计量浓度出达到极值点 1 8密闭空间内气体爆炸强度 甲烷 空气爆炸压力 时间曲线 容器内爆炸压力与容器体积和容器长径的关系 对于长径比相同的圆筒形容器或球形容器 立方根定律 容器内爆炸压力与初始压力成正比 与容器体积无关 但容器长径比较大时 由于火焰过快接触管壁 散热较快 所以实际测得的爆炸压力偏低 1 8密闭空间内气体爆炸强度 容器内爆炸压力上升速率与初始压力成正比 1 8密闭空间内气体爆炸强度 最大爆炸压力与初始压力 初始温度之间的关系 C1是取决于气体组成的常数 1 8密闭空间内气体爆炸强度 最大爆炸压力上升速率与初始压力 初始温度之间的关系 C1和C2是取决于气体组成的常数 C3是取决于气体组成和容器特征尺寸的常数 1 8密闭空间内气体爆炸强度 1 9 1凝聚相爆炸的特性 典型代表 火药 炸药等起爆后在极短时间 微秒量级 内即发展成爆炸的最高形式 爆轰 它是一种定常的稳态流动过程 爆炸产生的空气冲击波 爆炸波 一般在理论上被简化成一种理想点源爆炸 可以用相似理论或点源爆炸理论计算爆炸场 1 9开敞空间爆炸强度 理想爆源的显著特征 能量密度大 爆源体积可忽略不计 视为点源 爆炸过程中 能量瞬时释放 点火后爆炸压力瞬就达到最大值 爆源区压力高 爆炸产生的冲击波初始压力可达50MPa量级 爆炸破坏的主要形式是由空气冲击波造成 破坏作用范围可达对比距离为 50 1 9开敞空间爆炸强度 1 9 2可燃气体或粉体爆炸特性 可燃气体泄漏 可能发生4种情况 泄漏的可燃气体在没有着火之前就消散掉 不形成爆炸危险性 泄漏的可燃气体在泄放口上高速喷射 磨擦或静电点火 一般只引起着火而不爆炸 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 火焰不受任何约束 发生定压燃烧 泄漏物扩散到半包围区域或有障碍物 树木 管道等 的区域 经过一段延滞时间后 可燃气云被点燃 产生较强压力波或者火焰经过较长距离的传播而加速 甚至使爆燃转变为爆轰 产生危险的爆炸冲击波 1 9开敞空间爆炸强度 开敞空间可燃气体或粉体爆炸不再符合理想爆源的特征 称为非理想爆源 爆源的能量密度远远低于凝聚相炸药 能量释放速率也远远小于凝聚相炸药 大多数情况属于爆燃 个别受到约束强 且传播较远时会发生爆轰 非理想爆源爆炸过程也有3个显著特征 爆源体积不能忽略 且随着爆炸的进行 爆源体积在增大 能量的释放速率有限 逐层燃烧 逐层释放 爆源区压力较低 且与爆源体积有关 通常为几千帕到几百千帕 1 9开敞空间爆炸强度 1 9 3影响气云爆炸强度的因素 可燃气体反应活性越强 分子扩散快 则它爆炸产生的火焰速度和超压值越高 产生爆轰的可能性也越大 可燃气体反应活性 1 9开敞空间爆炸强度 可燃气体的浓度 预混气云只有可燃气体浓度适当 在上 下可燃极限之间 时才能被引爆 可燃气体含量越接近上 下可燃极限 燃烧速度越低 爆炸强度越低 密度相对于空气小的可燃气体在空气中将向上漂移 不会在地面上形成很大的气云 这能够减小近地面物体所受爆炸的危害 密度较大的可燃气体泄漏时贴着地面运动 可进入隧道 地下沟槽及其他一些受到限制的区域 这有利于在地面上形成体积较大的气云 潜在的危害就比较大 可燃气体密度 1 9开敞空间爆炸强度 可燃气体和空气混合物的燃烧速度和放热量均随浓度而变化 化学计量浓度的1 1 1 5倍为最危险浓度 其燃烧速度及相应的爆炸反应热也将达到极大值 在此浓度下 爆炸强度最高 破坏效应最严重 可燃气云的均匀度 可燃气体在高压下发生泄漏通常形成不均匀的预混气云 爆炸所产生的超压要小于以化学计量配比混合形成的均匀气云爆炸时的情况 预混气云的均匀度通常受到泄漏气体喷射的方向 速度 气云的积存时间 可燃气与空气的密度差等因素的影响 1 9开敞空间爆炸强度 90 地形条件的影响 地形条件对气云爆炸影响很大 例如在山洼处 可燃气泄漏时可燃气云发生积聚 容易形成体积较大的气云 爆炸过程中 产生的冲击波受到周围山体的反射 强度也会升高 在可燃气体泄漏点附近 如果存在隧道 沟槽等地形情况 可燃气体进入这些区域并形成气云 如果在其内部点火 会产生较高的超压 气云的尺寸 一般情况下 可燃气云尺寸越大 爆炸强度越高 但二者之间并不呈明显的正比例关系 绝对尺寸相差较大的小尺寸和大尺寸气云 爆炸模式及燃烧具体情况有较大差别 使得整个爆炸过程不具有相似性 所以它们不能够用尺寸缩放法来相互预测 存在障碍物的情况下尤其如此 1 9开敞空间爆炸强度 91 约束物 confinement 是指在气云边界 把气云限制成一定体积和形状的物体 一维传播的可燃气云爆炸所产生的超压最高 二维传播时次之 而三维传播时最低 因此 管内气云爆炸超压最高 两平板之间气云爆炸超压次之 球形气云爆炸超压最小 约束物对爆炸强度的影响 障碍物对爆炸强度的影响 障碍物 obstruction 是指在气云内部 在爆炸过程中火焰波会与其发生碰撞 并最终能够越过的物体 障碍物更强烈的火焰伸长和折叠 进而又使燃烧速度增加 从而使爆炸强度提高 这被称为气体流动与燃烧过程之间的正反馈机理 1 9开敞空间爆炸强度 92 天气情况的影响 可燃气体发生泄漏时 如果风力较大则不易形成可燃气云 气云引爆后 如果遇到雨 雪 雾等天气 空气中湿度较大 水汽蒸发吸收大量热量 使火焰温度降低 降低爆炸强度 甚至使火焰完全熄灭 可燃气体在大气中扩散形成气云 大气温度越高 可燃气体与大气之间的扩散越快 越有利于可燃气云的形成和加速均匀化 温度越高 气云初始能量越大 越有利于点火和产生大的超压 火焰速度随初始温度T0的升高而增加 1 9开敞空间爆炸强度 93 点火能量 点火位置的影响 工业现场存在的静电 电闸火花 电机起动引起的火花 以及高温物体表面都可作为点火源引发气云爆炸 这种工业现场存在的点火源被称为弱点火源 点火能量一般小于100mJ 相对应 雷管等强点火源 点火能量一般大于103J 点火能量对可燃气云爆炸有重要影响 采用弱点火源时 可燃气云爆炸只能发生爆燃 超压在kPa量级 而采用强点火源 如高能炸药 点火时 则有可能直接引发爆轰 超压可达MPa量级 点火位置不同可以引起爆炸超压数量级的变化 在可燃气云中心点火 爆炸超压要高于在气云边缘处点火 在局部受约束区域 如一端开口的容器 在容器内部点火 超压要高于开口处点火 1 9开敞空间爆炸强度 94 1 9 4气云爆炸强度预测 在军事领域 TNT炸药爆炸场预测已比较成熟 TNT当量法 1 9开敞空间爆炸强度 TNT爆炸超压值 根据气云爆炸的破坏作用推算爆炸力 并与TNT爆炸的破坏作用相比拟 从而把气云爆炸转化为一定量的TNT炸药爆炸 这个与气云爆炸破坏作用相当的TNT质量称为TNT当量 95 由于爆炸的威力与爆炸反应热直接相关 因此 TNT当量可表示为 A Lannoy等对23起事故的120余个点进行了统计分析 发现TNT当量效率分布在0 02 15 9 之间 当量效率低于10 的情况占97 当量效率近似于4 的情况占60 显然 值过于分散 实际应用中 偏差过大 实际应用时一般取4 QTNT 4 12 4 69MJ kg 1 9开敞空间爆炸强度 96 气云爆炸与TNT爆炸有本质的区别 1 TNT爆炸时的爆源体积可忽略 而气云的体积较大 不能忽略 且随着爆炸的进行 爆源体积在增大 2 TNT爆炸时能量是瞬间释放的 而气云爆炸过程中能量的释放速率有限 3 TNT爆炸过程形成的冲击波强度大 但衰减速度快 而气云爆炸多属爆燃过程 压力波强度较小 升压速度和衰减速度均较小 所以TNT当量法往往高估了气云爆炸近场的超压 而低估了远场的超压 4 气云爆炸是爆燃过程 在无约束的条件下 超压较低 有约束时 超压升高 TNT当量法没有考虑这些影响 TNT当量法只适用于很强的气云爆炸 且用以描述远场时偏差小 用于近场时偏差较大 1 9开敞空间爆炸强度 97 多能 Multi Energy 模型 多能模型是Vandenberg于1985年提出来的 其基本观点是 开敞空间气云是由于可燃气体泄漏而在大气中逐渐扩散形成的 较难形成均匀混合的气云 所以极难产生爆轰 而爆炸威力主要取决于边界条件 既然约束条件是增强气云爆炸的关键因素 所以 只有受约束的那部分气云才对爆炸强度的增强有作用 而不受约束的那部分气云对爆炸强度的增强几乎没有贡献 这样 如果受限气云的体积已知 就可计算对爆炸强度增强有贡献的燃烧能量 大多数化学计量比条件下烃类的平均燃烧能密度为 3 5MJ m3 以此为依据 通过对不同火焰速度下爆炸的数值计算 得到了气云爆炸的最大超压与距离的关系曲线 1 9开敞空间爆炸强度 98 1 9开敞空间爆炸强度 99 缺点 该模型认为 处于完全开敞空间的气云是混合不均匀的气体混合物 不会维持爆轰的传播 因而可以忽略其对爆炸强度的贡献 这对大多数反应不太激烈的气云 如氨 甲烷 氯乙烯等 的爆炸是正确的 但如果气云形成的时间较长 尤其是反应激烈的气云 在完全开敞的空间内形成了均匀混合物 则也可能产生爆轰 这种现象在工业实际中已出现过 如何确定受限区域的尺寸是个难以解决的问题 如果将整个气云分成了几个爆炸源 它们的总强度如何叠加尚无定论 爆炸强度图中的10个级别如何选取 爆炸强度与障碍物的大小 形状 密度等有关 实际情况与图中的十条曲线无法对应 1 9开敞空间爆炸强度 100 比例缩放方法 这种观点认为 气云的爆炸威力可根据气云的尺寸进行缩放 密闭容器内可燃气体爆炸时升压速度与容器体积之间存在立方根定律 即升压速度与容器体积的1 3次方成反比 与此类比 气云爆炸的当量距离与气云体积的1 3次方成反比 1 9开敞空间爆炸强度 101 1 9开敞空间爆炸强度 火球热辐射危害估算 开敞空间气云爆炸除了爆炸超压和冲击波的破坏危害之外 还有火球产生的强烈热辐射危害 火球半径可按下式计算 式中D为火球半径 m W为火球中消耗的可燃物质量 kg 对单罐储存 W取罐容量的50 对双罐储存 W取罐容量的70 对多罐储存 W取罐容量的90 火球持续时间可按下式计算 式中t为火球持续时间 s 1 9开敞空间爆炸强度 火球燃烧过程中释放出的热辐射通量可按下式计算 式中Q为火球燃烧过程中释放出的热辐射通量 W HC为燃烧热 J kg 为效率因子 p为储罐内LNG的饱和蒸汽压 Pa 目标位置接受到的入射热辐射强度可按下式计算 式中 TC为传导系数 保守计算取值为1 x为目标位置距火球中心的水平距离 m 1 9开敞空间爆炸强度 火灾热辐射强度不同入射通量对人员和设备影响 1 9开敞空间爆炸强度 1 死亡半径计算将入射通量I 37500W m2代入式计算得到的x就是相应的死亡半径R1 2 重伤半径估算将入射通量为I 25000W m2代入式计算得到的x就是计算相应的重伤半径为R2 3 轻伤半径计算将入射通量为I 12500W m2代入式计算得到的x就是相应的轻伤半径为R3 1 9开敞空间爆炸强度 1 10 1粉尘爆炸极限 1 10粉尘爆炸特性 爆炸下限介于20 60g m3之间左右爆炸上限2000g m3左右 单纯从反应放热来说 粉尘爆炸与气体爆炸没有什么区别 因而也应该有最危险浓度 也应该有爆炸极限 粉体爆炸的下限浓度应为考虑悬浮粉体与空气之比 1 10 2粉尘浓度与气体浓度的差别 粉尘层 堆积在某处的处于静止状态的粉尘粉尘云 悬浮在空间的处于运动状态的粉尘 气体与空气容易形成均匀混合物 而粉体却容易下沉 浓度随时间而变化 玉米粒径对爆炸下限影响 一旦受到扰动 震动 气流 局部爆炸等等 或者有某一很小区域内发生爆炸 粉尘层就会被扬起 引起整个系统内的爆炸 从这种意义上讲 粉尘爆炸不存在爆炸极限 粉尘粒度对爆炸极限影响很大 1 10粉尘爆炸特性 1 10 3含杂混合物的影响含杂混合物是指粉尘 空气混合物中含有可燃气或可燃蒸气 粉尘 空气混合物中含有可燃气或可燃蒸气时 其爆炸下限随可燃气 或蒸气 浓度的增加急剧地下降 含杂混合物的最小点火能量与含杂气体的最小点火能量相近 远远低于粉尘的最小点火能量 1 10粉尘爆炸特性 二次爆炸破坏力更强 局部爆炸不断使堆积的粉尘受到扰动而飞扬形成粉尘雾 从而会连续产生二次三次爆炸 单纯悬浮粉尘爆炸产生的破坏范围较小 而层状粉尘发生爆炸的范围往往是整个车间或整个巷道 对生命和财产造成的危害和损失巨大 由于粉尘粒子远远大于分子 所以粉尘爆炸总是伴有不完全燃烧 会产生大量CO 极易引起中毒 粉尘爆炸时 若有粒子飞出 更容易伤人或引爆其他可燃物 爆炸能量大 对于料仓而言 由于底部有大量堆积的粉尘 可以说可燃组分供应充足 直至氧气消耗殆尽 因此爆炸释放出的总能量一般比气体爆炸大 造成的危害也大 容器形状与容积 初始压力和温度等的影响也与气体爆炸完全类似 1 10 4粉尘爆炸与气体爆炸的异同 1 10粉尘爆炸特性 沸腾液体蒸气膨胀爆炸 BLEVE 盛装液化气体的容器一旦破裂 高压蒸气迅速喷出 容器内的压力急剧下降 致使液体处于过热状态 并迅速气化 体积急剧膨胀 造成容器爆炸 例如锅炉 液化气的储罐 罐车等爆炸均会引发BLEVE 且喷出的液化气又可能急剧燃烧引发开敞空间爆炸 危害极大 1 11物理爆炸的特性 液体膨胀爆炸 充满液体的容器 由于继续加入液体或由于温度升高引起液体膨胀引发容器破裂 工业生产中很少见 灾害也较轻 气体膨胀爆炸 充满气体的容器 由于继续加入气体或由于温度升高引起气体膨胀引发容器爆炸 例如气体储罐爆炸 爆炸威力很大 高温物体与低温液体迅速混合引发的蒸气爆炸 当两种不同温度的液体激烈混合 或细碎的热固体材料与很冷的液体迅速混合时 就会发生物理蒸气爆炸 引起这种爆炸的4种情形 低沸点液体进入高温系统 冷热液体相混且温度已超过其中一种液体的沸点 分层液体中高沸点液体受热后将热量传给低沸点液体使之气化 封闭层下的液体受热气化 在炼钢或炼锌工业中 当将熔化的金属倒进含有水分的容器内时 就发生过这样的爆炸 当液化天然气 其中有近10 比甲烷分子量高的碳氢化合物 溅到水上时 也会观察到物理蒸气爆炸 在这种情况下 冷液体是液化天然气 而不是水 火山喷发产生的灾难性爆炸也属于物理爆炸 海水 或河水 与邻近的岩浆相混合 立即气化而发生爆炸 1 11物理爆炸的特性 核爆炸 原子弹是由铀235或钚239的重核裂变制成的 氢弹是由氕氘氚等轻核的同位素聚变原理制成的 核武器或核装置在几微秒的瞬间释放出大量能量的过程核反应释放的能量能使反应区介质温度升高到数千万K 压强增到几亿MPa 成为高温高压等离子体 并向外膨胀 加热并压缩 周围空气使之急速膨胀 产生高压冲击波 地面和空中核爆炸 还会在周围空气中形成火球 发出很强的光辐射 核反应还产生各种射线和放射性物质碎片 向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用 造成电流的增长和消失过程 其结果又产生电磁脉冲 产生强冲击波 光辐射 早期核辐射 放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用 1 11物理爆炸的特性 1 12化学反应失控 反应失控 受到某种干扰 例如催化剂太多 失去了足够的冷却 不适当的搅拌等 的放热反应 会导致反应容器内的温度超出正常的规定范围而异常升高 会使反应速度按指数规律而增长 导致压力迅速升高 引起爆炸事故 如果物料是液体 并且该液体的温度高于瞬时挥发温度 则还会发生BLEVE a 蒸汽型 即超压完全由反应物的蒸汽压引起 在失控过程中随温度的升高而升高 b 气体型 即超压完全由反应生成的不凝气导致 c 混合型 即超压由反应生成的气体及温升引起的蒸汽压升高共同作用导致 三类 1 13压力容器爆炸威力 物理爆炸 只由压力容器破裂引发的事故 化学爆炸 两类 压力容器内部发生化学爆炸破裂引发的事故 计算方法与物理爆炸相同 由于内部介质 如可燃 喷出后产生化学爆炸引发的事故 计算方法与开敞空间气云爆炸相同 总危害应为物理爆炸与气云爆炸两者的叠加 物理爆炸的能量物理爆炸如压力容器破裂时 气体膨胀所释放的能量不仅与气体压力和容器的容积有关 且与介质在容器内的物性相态有关 1 压缩气体与水蒸气容器爆破能量 2 液体的爆破能量 1 13压力容器爆炸威力 3 液化气体与高温饱和水的爆破能量 饱和水锅炉的爆破能量 4 爆炸威力计算 1 13压力容器爆炸威力 1 14爆炸事故的划分 1 14 1爆炸火灾危险场所划分三类八级 第一类是气体或蒸汽爆炸性混合物的场所 共分为三级 Q 1级场所 在正常情况下能形成爆炸性混合物场所 Q 2级场所 正常情况下不能形成 仅在不正常情况下才能形成爆炸性混合物场所 Q 3级场所 在不正常情况下整个空间形成爆炸性混合物的可能性较小 爆炸后果较轻的场所 第二类是粉尘或纤维爆炸性混合物的场所 共分为两级 G 1级场所 正常情况下能形成爆炸性混合物 如镁粉 铝粉 煤粉等与空气的混合物 的场所 G 2级场所 正常情况下不能形成 仅在不正常情况下能形成爆炸性混合物的场所 第三类是火灾危险场所 共分为三级H 1级场所 在生产过程中产生 使用 加工贮存或转运闪点高于场所环境温度的可燃物体 而它们的数量和配置能引起火灾危险的场所 H 2级场所 在生产过程中出现的悬浮状 堆积可燃粉尘或可燃纤维 它们虽然不会形成爆炸性混合物 但在数量上与配置上能引起火灾危险的场所 H 3级场所 有固体可燃物质 在数量上和配置上能引起火灾危险的场所 1 14爆炸事故的划分 1 14 2按损失程度划分凡符合下列条件之一 为特大事故 1 一次事故造成死亡10人及以上 2 一次事故直接经济损失500万元及以上 凡符合下列条件之一 为重大事故 l 一次事故造成死亡3 9人 2 一次事故造成重伤10人及以上 3 一次事故造成直接经济损失100万元及以上 500万元以下 1 14爆炸事故的划分 凡符合下列条件之一 为一级事故 1 一次事故造成重伤1 9人 2 一次事故造成死亡1 2人 3 一次事故直接经济损失在10万元及以上 100万元以下 凡符合下列条件 为二级事故 一次事故直接经济损失在1万元及以上 10万元以下 凡符合下列条件 为三级事故 一次事故直接经济损失在6000元及以上 l万元以下 凡符合下列条件 为四级事故 一次事故直接经济损失在1000元及以上 6000元以下 1 14爆炸事故的划分 1 15爆炸波破坏准则 1 15 1爆炸波的结构和破坏机理 理想点源自由场爆炸波结构 a 为不同时刻爆炸场不同点的最大超压 b 是静观察者所看到的压力波形 即仪器所测量得到的波形 为某一时刻观察者看到的最大超压 爆炸波的两个性质冲击波超压正压区冲量Is 在 P I 平面中 可表示三种不同的破坏体制 即冲量破坏区 超压破坏区和动态破坏区 临界破坏冲量值 临界破坏超压值 冲量破坏区 爆炸波正压区作用时间小于物体的特征响应时间时 施加于物体的冲量是最重要的破坏指标 而最大超压不是很重要的 物体的最大破坏效应发生在压力急剧下降之后 超压破坏区 爆炸波正压区作用时间大于物体的特征响应时间时 决定物体破坏变形的是最大超压值 物体的最大破坏效应发生在压力急剧下降之前 1 15爆炸波破坏准则 1 15 2爆炸波破坏准则 爆炸冲击波对目标破坏作用通常用峰值超压 正压作用时间和冲量三个参数来度量 相应的破坏准则有超压准则 冲量准则和超压 冲量准则 超压准则 爆炸过程所造成的破坏是由于压力达到了建筑物 结构 人员 动物等目标所能承受的极限而引起的 即只有爆炸波的超压达到某一临界值时 才会对目标造成一定程度的破坏或损伤 1 15爆炸波破坏准则 爆炸超压对结构及人员的破坏程度 1 15爆炸波破坏准则 冲量准则 某些爆炸中产生的超压并不很大 但依然造成了灾难性破坏 为此 出于对超压准则的修正 提出了冲量破坏准则 即只有爆炸波的冲量 t 为正压区作用时间P t 为作用于目标的动态压力 只有当正压作用时间小于目标自振周期的1 4时 冲量才对目标破坏起决定作用 1 15爆炸波破坏准则 压力 冲量准则 以目标性质 毁坏水平 爆炸波压力及爆炸波总冲量四个参数作为特征值 提出了压力 冲量破坏准则 它认为 爆炸波对目标毁伤效应由超压和冲量共同决定 只有当两者同时达到或超过某一临界值时 才能对目标造成一定程度的毁伤作用 目标 构件 受到爆炸载荷作用时 冲量值和特征时间值为 1 15爆炸波破坏准则 对于特定的目标 建筑物 构件 动物等 来说 和可视为定值 例如 通过对大量爆破试验数据进行综合处理后 得到砖木结构房屋的爆炸波破坏临街参数为 工程中常用可以用来评价爆炸波的破坏威力 提出了可将破坏效应 划分为破坏等级 目标性质及爆炸源性质三者结合的破坏模型 砖木结构房屋的破坏等级 值 破坏程度之间的关系见下表 1 15爆炸波破坏准则 砖木结构房屋破坏等级标准 1 15爆炸波破坏准则 什么是燃烧 什么是爆炸 在工业实际中一般会发生哪几类燃烧或爆炸 什么是化学计量比浓度与最危险浓度 它们有什么区别 什么是闪点 什么是燃点 什么是自燃点 它们对预防工业灾害有何作用 什么是沸点和初馏点 各有何用途 什么是燃烧速度 什么是火焰速度 他们与哪些因素有关 什么是理想爆源爆炸和非理想爆源 各有什么特点 开敞空间气体与粉尘爆炸属于哪类爆炸 气体燃烧爆炸模式有哪些 爆燃与爆轰有哪些主要联系与区别 可燃气体或粉尘发生爆炸要满足哪几个基本条件 表征气体爆炸特征的参数主要有哪几个 影响可燃气体或粉尘爆炸威力的因素有哪些 思考题 爆炸极限的含义是什么 什么是爆炸上限 下限 爆炸极限如何估算 爆炸极限主要与哪些因素有关 你从数据手册中查到的爆炸极限精确度如何 什么是含氧量安全限值 如何估算 什么是最大试验安全间隙 有何用途 除空气 氧气外 还有哪些物质也具有助燃性质 衡量密闭空间内可燃气体爆炸强度的指标有哪些 其影响因素有哪些 影响规律如何 立方根定律的适用条件是什么 影响可燃气云爆炸强度 主要有哪些因素 开敞空间气云爆炸强度的预测难点是什么 什么是TNT当量模型 其基本思路是什么 在实际中如何使用 什么是多能模型 其基本思路是什么 在实际中如何使用 思考题 什么是比例缩放方法 其基本思路是什么 在实际中如何使用 气云爆炸的火球热辐射危害如何估算 什么是粉尘 工业中会发生爆炸的粉尘有哪几类 影响粉尘爆炸极限的主要因素有哪些 为什么说过于关注粉尘爆炸极限没有实际意义 粉尘爆炸的主要特点有哪些 与气体爆炸的相同点和不同点是什么 影响粉尘爆炸压力 爆炸压力上升速率 爆炸指数的主要因素有哪些 影响规律如何 使用立方根定律的条件是什么 什么是物理蒸气爆炸 有几种情况 危害如何 什么是化学反应失控 危害如何 压力容器爆炸有几种情况 爆炸威力如何计算 爆炸火灾危险场所是如何分类和分级的 工程中常用的爆炸破坏准则有哪些 各适用于什么情况 思考题 试估算丙烷在空气中的爆炸极限及最小氧含量 试估算苯在空气中的爆炸极限及最小氧含量 试估算氢气在空气中的爆炸极限及最小氧含量 某燃料的化学计量浓度为8 试估算其在空气中爆炸极限及最小氧含量 某燃料的闪点为45 试估算其在空气中爆炸极限及最小氧含量 某混合气体摩尔组成为甲烷60 丙烷24 丁烷16 试计算其在空气中爆炸极限及最小氧含量 某混合气体摩尔组成为甲烷95 乙烷3 丙烷1 氮气1 试计算其爆炸极限及最小氧含量 某混合物的摩尔组成为55 CO 22 CH4 3 H2 20 N2 试计算其在空气中爆炸极限及最小氧含量 某混合气体摩尔组成为甲烷55 丙烷20 丁烷16 丁烯3 氢气6 试计算其在空气中爆炸极限及最小氧含量 习