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爆炸防护的基本原理
发布日期:2014/4/7 点击数:798新闻来源:

现代用于工业生产的可燃物种类繁多,数量庞大,而且生产过程情况复杂,因此需要根据不同的条件采取各种相应的防护措施。但从总体来说,防止产生化学性爆炸的3个基本条件同时存在,是预防可燃物质化学性爆炸的基本理论。

从爆炸破坏力的形成来看,爆炸一般需要具备5个条件:

1).提供能量的可燃物质(释放源);

2).辅助燃烧的助燃剂(氧化剂);

3).可燃物质与助燃剂的均匀混合;

4).混合物放在相对封闭的空间(包围体);

5).有足够能量的点火源。

5个条件可以用爆炸五边形加以形象的描述(见图1-1)。当这5个条件同时出现时,爆炸破坏力便显现出来了,防爆技术就是根据爆炸五边形,采取相应的技术措施和管理措施,达到预防事故的目的。

图1-1爆炸破坏力五边形

1.可燃物浓度的控制

爆炸强度与爆炸性混合物的浓度有密切关系(见图1-2)。在浓度C的范围内,爆炸强度随浓度变化的关系近似于正半周期的正弦曲线。浓度超出这个范围则爆炸不能发生。对此现象的理论解释为:在爆炸性混合物浓度接近氧化反应的化学当量浓度时,爆炸性混合物能够完全燃烧,燃烧热释放量最大,爆炸强度也最大,如图1—2中的B点。图中爆炸强度以爆炸超压P表示,爆炸超压是常压下的爆炸性混合物爆炸时产生的压力增量。若浓度由B点往低值方向变化,由于可燃物的数量减少,发热量相应减少,燃烧废气的温度也较正点为低,由温升(燃气温度与室温之差)造成的压力增量P也要减少。当浓度低到A点时,可燃物质的发热量已经低到不能维持火焰在混合物中传播所需要的最低温度,因而该混合物将不能点燃。若浓度由^点往高值方向变化,可燃物质的数量固然增加了,但此时助燃的氧气浓度低于化学当量值,不能满足混合物完全燃烧的需要,混合物发热量将比化学当量浓度时低,压力增量p也要减少,故在BC段,爆炸强度随着可燃气浓度的增加而减弱,到达C点浓度时,由于助燃氧气不足,混合物的燃烧发热量也低到不能维持火焰在混合物中传播所需要的最低温度,因而混合物不能点燃。这里的A和C是两个临界点,混合物在A至C的浓度区间爆炸可以发生,混合物的浓度小于A和大于C都不能发生爆炸,A点称为爆炸下限浓度,C点称为爆炸上限浓度。

图1-2  爆炸压力P与可燃物浓度D的关系

因此,可以通过可燃物浓度的控制来预防爆炸事故的发生,或者把爆炸事故可能造成的破坏力降到最小限度。

2.氧浓度的控制

在爆炸气氛加入惰化介质后,一方面可以使爆炸气氛中氧组分被稀释,减少了可燃物质分子和氧分子作用的机会,也使可燃物组分同氧分子隔离,在它们之间形成一层不燃烧的屏障;当活化分子碰撞惰化介质粒子时,会使活化分子失去活化能而不能反应。另一方面,若燃烧反应已经发生,产生的游离基将与惰化介质粒子发生作用,使其失去活性,导致燃烧连锁反应中断;同时,惰化介质还将大量吸收燃烧反应放出的热量,使热量不能聚积,燃烧反应不能蔓延到其他可燃组分分子上去,对燃烧反应起到抑制作用。由于上述作用,在可燃物一空气爆炸气氛中加入惰化介质实

施情化后,可燃物组分爆炸范围缩小;当惰化介质增加到足够浓度时,可以使其爆炸上限、爆炸下限重合;若再增加惰化介质浓度,此时可燃物空气混合物将不再发生燃烧反应。

图1-3各种惰性气体对甲烧爆炸极限的影响

图1-4氮气对苯二甲酸粉爆炸极限的影响

1-3指出在甲烷稿空气的混合气体中加入不同的惰性气体时,这些惰性气体对甲烷爆炸极限的影响。从图中可以看出,随着隋性气体用量的增加,甲烷爆炸范围显著减小,直至为零;惰性气体用量对爆炸上限的影响较之对爆炸下限的影响更为显著。图1-4对苯二甲酸粉加入氮气惰化后的行为也具有相同的规律。

3.点火源的控制

温度对化学反应速度的影响特别显著,以甲烷和氧的燃烧反应为例,它们在室温下的反应速度极慢,几乎停止进行,如果温度升高到600℃,它们会立即起反应,甚至会发生爆炸,根据范特霍夫规则可知,对一般反应来说,若初始浓度相等,温度每升高10℃反应速度大约加快2-4倍。

从反应的活化能来看,不同分子间要发生化学反应,分子间必须相互碰撞,但能量较低的分子发生碰撞是不会发生反应的,只有具有较高能量的活化分子发生相互碰撞时,才能发生化学反应,我们把发生反应的碰撞叫做有效碰撞。提高反应温度,增大反应物浓度,就会增多活化分子数目,这样会导致有效碰撞次数的增加,从而加快了反应速度。

具有一定浓度的可燃可爆危险物质是发生燃烧、爆炸反应,进而引起爆炸事故的基本前提;而温度(也就是通常所指的点火源)是加快反应速度,引起爆炸事故最初因素。因此,控制点火源是防止爆炸事故的重要措施之一。

4.减弱爆炸压力和冲击波

爆炸现象的重要特征之一是爆炸物质爆炸时,产生的高温高压气体产物以极高的速度膨胀,使包围体内压力骤增,进而使包围体炸裂,形成冲击波,造成破坏力。为了防止或减弱因炸而使包围体内压力的骤协,应尽可能地不使包围体相对封闭。为了预防冲击波的破坏力,亦可设计抗爆型包围体或设置隔爆墙等。

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