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    防爆知識

    防爆電器應用知識:燃燒與爆炸發生的充分必要條件

    發布時間:2018/5/11
      我們已經知道,可燃性物質在空氣中的燃燒是一種化學反應變化,即可燃性物質和空氣中的氧氣在熱能的作用下發生氧化反應的現象。在這種反應過程中,釋放出來的熱能又加熱了未反應的混合物,使之進一步進行氧化反應,如此連續地使反應進行下去。爆炸是一種極其迅速的燃燒過程,伴隨這一過程出現了強大的壓力沖擊波和極高的溫度。
      1.燃燒與爆炸發生的充分必要條件
      根據燃燒與爆炸的基本理論可知,燃燒與爆炸發生的充分必要條件是:
      a、存在可燃性物質。
      b、存在空氣(21%的氧氣,79%的氮氣及其他惰性氣體)。
      c、存在點燃源。.
      d、同時同地存在可燃性物質、空氣和點燃源。
      燃燒與爆炸發生的充分必要條件是人們預防和避免可燃性氣體發生燃燒與爆炸的原始理刊依據。
       這是一個眾所周知的、簡單而原始的問題。沒有可燃性氣體(物質),顯然無法發生燃燒土爆炸;沒有點燃源,即使存在可燃性氣體(物質)和空氣,顯然也是無法發生燃燒與爆炸的然而,我們正是在這個極其淺顯的問題中找到了預防和防止可燃性氣體發生燃燒與爆炸的基本方案,發現了預功和防止現代工業生產中可能出現的可燃性氣體燃燒與爆炸的重要途徑。
      根據燃燒與爆炸發生的充分必要條件,我們在這里提出防爆電器技術的“守候定理”。
      守候定理:在大氣條件下。假若可燃性物質連續或長期地存在。不管點燃源如何。只要一點燃。點燃就可能發生;同樣,假若點燃源連續或長期地存在。
      這正像甲(乙)一直在等候乙(甲)一樣,只要乙(甲)一出現就會和甲(乙)會面,電氣“守候”。守候定理告訴我們,在思考和處理防爆電氣技術伺題時,人們不僅要考慮可燃性物質的存在所造成的危險,而且還應該考慮點燃源的存在所造成的危險,尤其是連續或長期存在的能造成的危險。然而,遺憾的是,后一種情況常常被人們所忽視。
      守候定理是人們在思考和解決防爆電氣技術問題時必須遵守的一個重要原則。
      2.爆炸極限及影響它的主要因素
      在工業生產過程中釋放出來的可燃性氣體,常常逸散在周圍環境大氣中,同空氣混合形成燃性氣體.空氣混合物??扇夹詺怏w在空氣中的濃度積累到一定值時,一旦遇到足夠能量的點燃源,就可能發生燃燒,甚至爆炸。這個濃度的“一定值”,就叫做可燃性氣體.空氣混合物的爆炸極限(下限)。
      爆炸極限定義為,當可燃性氣體一空氣混合物被點燃時,燃燒火焰在點燃源消失后可以在混合物中自行蔓延下去,此時混合物中可燃性氣體含量(以體積百分比或單位容積所含質量計的范圍?;鹧婺軌蜃孕新拥淖畹蜐舛冉凶霰O限的下限,簡稱爆炸下限;可燃性氣體的濃度大于某個值時便不能發生燃燒爆炸,這“某個值”被叫做爆炸極限的上限,簡稱爆炸上限,例如,氫氣.空氣混合物的爆炸極限是4%一77%(體積比),即爆炸下限為4%,爆炸上圈為77%。
      燃燒火焰之所以在濃度低于爆炸下限的混合物中不能自行蔓延下去,是因為混合物中可燃燒氣體的數量太少,在點燃源作用下燃燒的可燃性氣體所產生的熱量不能夠維持在點燃源消失之后燃燒繼續進行下去,盡管氧氣十分充足。濃度高于爆炸上限的混合物,由于混合物中助燃性物質——氧氣太少,無法被點燃源點燃,即使點燃源有足夠的點燃能量。
      爆炸極限,有時候,也辣燃燒板限,不是一個物理量。它只是表征可燃性氣體物理一化學性質的一個參數。一種可燃性氣體.空氣混合物的爆炸極限,不僅與這種可燃性氣體一空氣混合物的物理.化學性質有關,而且還與滿合物的初始壓力、初始溫度、點燃源的功率、混合物中存在的惰性雜質諸因素有關。
      (1)單一型可燃性氣體的爆炸極限
      單一型可燃性氣體是指某一種可燃性氣體。它與空氣混合后形成“單質”可燃性氣體一空氣混合物。這里,我們簡要地討論一下,除可燃性氣體的物理一化學性質之外,試驗條件對爆炸極限的影響。
      1)混合物初始壓力對爆炸極限的影響
      在可燃性氣體.空氣混合物爆炸極限的測試時,混合物的狀態,即初始壓力,對爆炸極限有著很大的影響。隨著初始壓力的升高,因混合物種類的不同,初始壓力對爆炸極限的影響也是各不相同的。
      對于碳氫化合物.空氣混合物,通常情況下,隨著初始壓力的升高,爆炸極限逐漸拓寬。例如,氫氣一空氣混合物的爆炸極限,在初始壓力升高至1MPa以前,是收縮的,再繼續提高初始壓力,開始逐漸拓寬;甲烷.空氣混合物的爆炸極限,隨著壓力的升高,開始迅速增加,接著基本維持不變(圖1.1);而對于一氧化碳.空氣混合物,隨著初始壓力的升高,爆炸極限稍微有點收縮。
      當減小混合物的初始壓力低于大氣壓力至某個極限值(P。)時,爆炸極限的上限與下限會合并在一起。碳氫化合物,除甲烷外,都明顯地有這樣一個極限壓力P0。對于碳氫化合物來說,當溫度為15~20℃時,這個極限壓力為4 X10-3—5×10一MPa。
      2)混合物初始溫度對爆炸極限的影響
      參在測試可燃性氣體.空氣混合物的爆炸極限時發現,隨著可燃性氣體一空氣混合物初始溫度的瓣高,爆炸極限在拓寬,下限在減小,上限在增加。幾種可燃性氣體一空氣混合物的爆炸極限與開始溫度的關系如表1所示。
    表1 混合物初始溫度與爆炸極限
    爆炸極限(溫度,體積比) 爆炸極眼/(Ⅱ影L)
     混合物初始溫度/T: 二堿化碳 丙酮     乙醇      汽油
       0        0.2一0.8 4.2—3.0 2.55-11.80 65-150
       100      1.25~33.4 3.2-10.0 2.25~12.53 50-203
       300     3.2-10.0   2.0—12.50 50-203
      3)點燃源功率對爆炸極限的影響
      在測試可燃性氣體-空氣混合物的爆炸極限時發現,點燃源的點燃功率同樣對爆炸極限有一定的影響。例如,增加點燃混合物的電氣火花的功率,混合物的燃燒濃度范圍(爆炸極限就會拓寬。但是,這個燃燒濃度范圍存在一個極限值,一旦達到這個值,不管電氣火花點燃功如何增加,爆炸極限都不會再發生變化。這時,如此功率的火花,通常被稱作“飽和火花”。
      4)惰性雜質對爆炸極限的影響
      在測試可燃性氣體一空氣混合物的爆炸極限時,令人特別感興趣的是惰性雜質對混合物爆炸極限的影響。
      在測試時發現,如果在混合物中添加不燃性氣體或蒸氣的話,那么,隨著不燃性氣體或蒸氣量的增加,可燃性氣體一空氣混合物的爆炸極限的上、下限會彼此靠近,最終會重合在一起。惰一雜質,例如,二氧化碳(CO:)、氮(N:)或氬(心),改變了混合物中氧的數量,而且還吸收了始點燃能量,使燃燒不能發生。然而,由于惰性雜質的不同,它們的這種熄焰效果也是不同的。
      惰性雜質的熄焰效果是由它們的熱容量所確定的,二氧化碳的熱容量大于氮的,氮的大于氧氣的。其他種類的惰性雜質的熄焰效果可能比上述的還要大一些。例如,某些鹵素有機化合物就具有極強的熄焰效果。
      惰性雜質的熄焰效果常常被應用在火災安全技術上。
      (2)混合型可燃性氣體的爆炸極限
      上面我們討論了單一型可燃性氣體的爆炸極限,下面再簡單地介紹一下混合型可燃性氣體爆炸極限。
      由幾種可燃性氣體混合在一起形成的混合物被稱為混合型可燃性氣體。它的爆炸極限可以告訴我們,混合型可燃性氣體的爆炸極限,不僅與混合型可燃性一體中各成分的爆炸極限有關,而且還與混合型可燃性氣體中各成分的濃度有關。因而,人們在一定混合型可燃性氣體的爆炸極限時不僅要注意各成分的爆炸極限,而且還要特別考慮各成分在混合型可燃性氣體中的濃度。這些濃度不同時混合型可燃性氣體的爆炸極限就會不同,盡管混合物可燃性氣體中各成分相同。
      假若我們用另一種牌號的環氧樹脂進行試驗。這種牌號的環氧樹脂熱分解釋放出的可燃性氣體依然是上述的幾種,但是它們的體積是不同的,例如,它們的體積在混合型可燃性氣體中所占比例為:一氧化碳50.2%、甲烷26.5%、乙炔5.1%、乙烯10.3%、丙烯5.4%、乙醛2.5%。將這些數據和它們的爆炸極限代入式(1.1)和式(1.2)中計算得出這種混合型可燃性氣體的爆炸極限卻為4.8%一32.2%。
      由此可見,混合型可燃性氣體中各成分的體積和它們的爆炸極限一樣,在影響著它的爆炸極限。這一點應該引起人們的注意。
      這里需要特殊指出的是,環氧樹脂在熱分解時會釋放出二氧化碳(表1.4顯示,表中所列環氧樹脂釋放的二氧化碳體積為8.3cm3)。二氧化碳對爆炸極限會產生一定的影響,隨著它的體積的增加,混合型可燃性氣體的爆炸極限將會縮小。因而,在上述的計算中去掉二氧化碳的數量,不會對混合型可燃性氣體的爆炸極限產生不利的影響。
      3.爆炸性氣體-空氣混合物
      當可燃性氣體在同空氣混合后形成的混合物中的濃度在爆炸極限以內時,這種混合物被稱作爆炸性氣體.空氣混合物(簡稱爆炸性氣體混合物)。
      通常情況下,環境中出現了爆炸性氣體混合物,這就意味著,這種環境已經處于一種非常危險的狀態。因為,“爆炸性氣體混合物”表示了“燃燒與爆炸發生的充分必要條件”中的“存在可燃性物質”和“存在空氣(2l%的氧氣,79%的氮氣及其他惰性氣體)”兩個條件已經“同時同地存在”,倘若此時此地“存在點燃源”具有足夠的能量,顯然,“燃燒與爆炸”必然發生。
      在工業生產過程中或在日常生活的某些領域中,如果形成了爆炸性氣體混合物,那將是一種十分嚴重的事件。因為環境中可能存在的點燃源是各種各樣的,稍有不慎,它就會立即點燃這種爆炸性氣體混合物,造成災難。
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