爆炸發(fā)生的原理及預(yù)防爆炸的發(fā)生措施
一、爆炸反應(yīng)歷程
可燃氣體、蒸氣或粉塵預(yù)先與空氣均勻混合并達到爆炸極限，這種混合物稱為爆炸性混合物。
按照鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，爆炸性混合物與火源接觸，就會有活性分子生成或成為連續(xù)反應(yīng)的活性中心。爆炸性混合物在一點上著火后，熱以及活性中心都向外傳播，促使鄰近的一層混合物起化學(xué)反應(yīng)，然后這一層又成為熱和活性中心的源泉而引起另一層混合物的反應(yīng)，如此循環(huán)地持續(xù)進行，直至全部爆炸性混合物反應(yīng)完為止。爆炸時的火焰是一層層向外傳播的，在沒有界線物包圍的爆炸性混合物中，火焰是以一層層同心圓球面的形式向各方面蔓延的。
火焰的速度在距離著火地點0.5—1m處僅為每秒若干米，但以后即逐漸加速，竟達每秒數(shù)百米以上。若在火焰擴展的路程上遇有遮擋物，則由于混合物的溫度和壓力的劇增，對遮擋物造成極大的破壞。爆炸大多隨著燃燒而發(fā)生，所以長期以來燃燒理論的觀點認為：當(dāng)燃燒在某一定空間內(nèi)進行時，如果散熱不良會使反應(yīng)溫度不斷提高，溫度的提高又會促使反應(yīng)速度加快，如此循環(huán)進展而導(dǎo)致發(fā)生爆炸。亦即爆炸是由于反應(yīng)的熱效應(yīng)而引起的，稱為熱爆炸。但在另一種情況下，爆炸現(xiàn)象不能簡單地用熱效應(yīng)來解釋。例如氫和溴的混合物在較低溫度下爆炸時，其反應(yīng)式為：H2十Br2====2HBr十3．5kJ／mol，反應(yīng)熱總共只有3．5kJ/mol；而二氧化硫和氫的反應(yīng)，其反應(yīng)式為：
SO2十H2＝H2S十2H2O十12．6kJ／mol，反應(yīng)熱是12．6kJ／mol；卻不會爆炸，等等。因此，有些爆炸現(xiàn)象需要用化學(xué)動力學(xué)的觀點來說明，認為爆炸的原因不是由于簡單的熱效應(yīng)，而是由于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的結(jié)果。
我們知道，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)有不分支鏈反應(yīng)(直鏈反應(yīng))和分支鏈反應(yīng)(支鏈反應(yīng))兩種。氫和氧的連鎖反應(yīng)屬于支鏈反應(yīng)，它的特點是在反應(yīng)中一個游離基(活性中心)能生成—個以上的游離基，例如H·十O2=OH·十O·，O·十H2＝OH·十H·，于是反應(yīng)鏈就會分支，如圖2—3所示。在鏈增長即反應(yīng)可以增值游離基的情況下，如果與之同時發(fā)生的銷毀游離基(鏈終止)的反應(yīng)速度不高，則游離基的數(shù)目就會增多，反應(yīng)鏈的數(shù)目也會增加，反應(yīng)速度也隨之加快，這樣又會增值更多的游離基，如此循環(huán)進展，使反應(yīng)速度加快到爆炸的等級。
連鎖反應(yīng)速度v可用上式表示.式中：F(c)——反應(yīng)物濃度函數(shù)；fs——鏈在器壁上銷毀因素；
fc——鏈在氣相中銷毀因素；A——與反應(yīng)物濃度有關(guān)的函數(shù)；a——鏈的分支數(shù)，在直鏈反應(yīng)中a＝1，支鏈反應(yīng)中a＞1。
根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，增加氣體混合物的溫度可使連鎖反應(yīng)的速度增加，使因熱運動而生成的游離基數(shù)量增加。在某一溫度下，連鎖的分支數(shù)超過中斷數(shù)。這時反應(yīng)便可以加速并達到混合物自行著火的反應(yīng)速度，所以可認為氣體混合物自行著火的條件是連鎖反應(yīng)的分支數(shù)等于中斷數(shù)。當(dāng)連鎖分支數(shù)超過中斷數(shù)時，即使混合物的溫度保持不變，仍可導(dǎo)致自行著火。在一定的條件下，如當(dāng)fs+fc十A(1—a)一→0時，就會發(fā)生爆炸。
綜上所述，爆炸性混合物發(fā)生爆炸有熱反應(yīng)和支鏈反應(yīng)兩種不同的機理。至于在什么情況下發(fā)生熱反應(yīng)，什么情況下發(fā)生支鏈反應(yīng)，需根據(jù)具體情況而定，甚至同一爆炸性混合物在不同條件下有時也會有所不同；如圖2—4所示為氫和氧按化學(xué)當(dāng)量濃度(2H2+O2)組成的混合氣發(fā)生爆炸的溫度和壓力區(qū)間。從圖中可以看出當(dāng)壓力很低且溫度不高時，例如在溫度500℃和壓力不超過200Pa時，由于游離基很容易擴散到器壁上銷毀，此時連鎖中斷速度超過文鏈產(chǎn)生速度，因而反應(yīng)進行較慢，混合物不會發(fā)生爆炸；當(dāng)溫度為500℃，壓力升高到200Pa和6666Pa之間時(如圖中的a和b點之間)，由于產(chǎn)生支鏈速度大于銷毀速度，鏈反應(yīng)很猛烈，就會發(fā)生爆炸；當(dāng)壓力繼續(xù)提高超過b點(大于6666Pa)以后，由于混合物內(nèi)分子的濃度增高，容易發(fā)生鏈中斷反應(yīng)，致使游離基銷毀速度又超過鏈產(chǎn)生速度，鏈反應(yīng)速度趨于緩和，混合物又不會發(fā)生爆炸了。
圖中a和b點時的壓力，即200Pa和6666Pa是混合物在500℃時的爆炸低限和爆炸高限。隨著溫度增加，爆炸極限會變寬。這是由于鏈反應(yīng)需要有一定的活化能，鏈分支反應(yīng)速度隨溫度升高而增加，而鏈終止的反應(yīng)卻隨溫度的升高而降低，故升高溫度對產(chǎn)生鏈反應(yīng)有利，結(jié)果使爆炸極限變寬，在圖上呈現(xiàn)半島型。當(dāng)壓力再升高超過c點(大于666610Pa)時，開始出現(xiàn)下列反應(yīng)：這兩個反應(yīng)是放熱的．結(jié)果使反應(yīng)釋放出的熱量超過從器壁散失的熱量，從而使混合物的溫度升高，進一步加快反應(yīng)，促使釋放出更多的熱量，而導(dǎo)致發(fā)生了熱爆炸。
二、可燃物質(zhì)化學(xué)性爆炸的條件
可燃物質(zhì)的化學(xué)性爆炸必須同時具備下列三個條件才能發(fā)生，
1．存在著可燃物質(zhì)，包括可燃氣體、蒸氣或粉塵。
2．可燃物質(zhì)與空氣(或氧氣)混合并且達到爆炸極限，形成爆炸性混合物。
3．爆炸性混合物在火源作用下。
對于每一種可燃氣體(蒸氣)的爆炸性混合物，都有一個引起爆炸的zui小點火能量，低于該能量，混合物就不爆炸。從圖2—5可以看出，引起烷烴爆炸的電火花的zui小電流強度分別為：甲烷0．57A，乙烷0．4，丙烷0．36A，丁烷0，48A，戊烷0．5。
zui小點火能量的單位通常以毫焦耳表示?？扇細怏w和蒸氣在空氣中的zui小點火能量見表3—6。
三、燃燒和化學(xué)性爆炸的關(guān)系
分析和比較燃燒與可燃物質(zhì)化學(xué)性爆炸的條件可以看出，兩者都需具備可燃物、氧化劑和火源這三種基本因素。因而，燃燒和化學(xué)性爆炸就其本質(zhì)來說是相同的，都是可燃物質(zhì)的氧化反應(yīng)，而它們的主要區(qū)別在于氧化反應(yīng)速度的不同，例如，1kg整塊煤*燃燒時需要10分鐘，而1kg煤氣與空氣混合發(fā)生爆炸時，只需0．2秒，兩者的燃燒熱值都是2631kJ左右(1kg物質(zhì)燃燒時所放出的熱量，即為該物質(zhì)的燃燒熱值。物質(zhì)的燃燒熱值見表1—2)。
通過以上比較可以清楚地看出，燃燒和爆炸的區(qū)別不在于物質(zhì)所含燃燒熱的大小，而在于物質(zhì)燃燒的速度。燃燒速度(即氧化速度)越快，燃燒熱的釋放越快，所產(chǎn)生的破壞力也越大。根據(jù)功率與作功時間成反比的關(guān)系，可以計算出一塊含熱量2931kJ的煤塊燃燒時發(fā)出的功率為47807W，合同樣熱量的煤氣燃燒時發(fā)出的功率為1471×105w．功率大，則作功的本領(lǐng)大，破壞力也就大。
由于燃燒和化學(xué)性爆炸的主要區(qū)別在于物質(zhì)的燃燒速度，所以火災(zāi)和爆炸的發(fā)展過程有顯著的不同?；馂?zāi)有初起階段、發(fā)展階段和衰弱熄滅階段等過程，造成的損失隨著時間的延續(xù)而加重，因此，—旦發(fā)生火災(zāi)，如能盡快地進行撲救，即可減少損失．化學(xué)性爆炸實質(zhì)上是瞬間的燃撓，通常是1秒之內(nèi)；爆炸過程已經(jīng)完成。由于爆炸威力所造成的人員傷亡、設(shè)備毀壞和廠房倒塌等巨大損失均發(fā)生于傾刻之間，猝不及防，因此爆炸一旦發(fā)生，損失已無從減免。
燃燒和化學(xué)性爆炸還存在有這樣的關(guān)系，即兩者可隨條件而轉(zhuǎn)化。同一物質(zhì)在一種條件下可以燃燒，在另一種條件下可以爆炸。例如煤塊只能緩慢的燃燒，如果將它磨成煤粉，再與空氣混合后就可能爆炸，這也說明了燃燒和化學(xué)性爆炸在實質(zhì)上是相同的。
由于燃燒和化學(xué)性爆炸可以隨條件而轉(zhuǎn)化，所以生產(chǎn)過程發(fā)生的這類事故，有些是先爆炸后著火，例如油罐、電石庫或乙炔發(fā)生器爆炸之后，接著往往是一場大火；而在某些情況下會是先火災(zāi)而后爆炸，例如抽空的油槽在著火時，可燃蒸氣不斷消耗，而又不能及時補充較多的可燃蒸氣，因而濃度不斷下降，當(dāng)蒸氣濃度下降進入爆炸極限范圍時，則發(fā)生爆炸。又如危險品庫的著火也會發(fā)生這種現(xiàn)象。
四、燃燒和化學(xué)性爆炸的感應(yīng)期
可燃物質(zhì)的溫度在達到自燃點或著火點之后，并不立即發(fā)生自燃或著火，其間有段延滯的時間，稱為感應(yīng)期(或誘導(dǎo)期)。
如前所述，可燃物質(zhì)的自行著火，并不能在圖1—3的曲線所示自然點T0時發(fā)生。而是在較高的溫度T0’才出現(xiàn)。圖中的T0’至Tc’的間隔，即是物質(zhì)發(fā)生自燃之前的延滯時間，以T感表示。感應(yīng)期的這種現(xiàn)象可以在測定可燃物質(zhì)的自燃點時觀察到，將測定的容器加熱到某一物質(zhì)的自燃點，但該物質(zhì)導(dǎo)入后并不立即自行著火，而要經(jīng)過若于時間后才出現(xiàn)火焰。
可燃物質(zhì)與火源直接接觸而著火時，也存在感應(yīng)期。但由于火焰的高溫，使感應(yīng)期大大地縮短了，所以一般人不易察覺到著火以前的時間延滯?？扇蓟旌衔锏谋▽嵸|(zhì)是瞬間的燃燒，因此，任何這類爆炸的發(fā)生也都有時間上的延滯。
可燃物質(zhì)的燃燒和可燃性混合物的爆炸之所以存在感應(yīng)期，是因為要使化學(xué)反應(yīng)的活性中心發(fā)展到一定的數(shù)目需要一定的時間，也就是說，這類燃燒和爆炸都需要經(jīng)過連續(xù)發(fā)展?程所必須的一定時間才能發(fā)生。
感應(yīng)期在安全問題上有著實際意義。例如煤礦中雖然有甲烷存在，但仍可用無煙進行爆破，這就是利用甲烷的感應(yīng)期。因為甲烷的感應(yīng)期為8—9秒，而無煙的發(fā)火時間僅為2—3秒，故可保證安全。又如應(yīng)根據(jù)可燃氣體或蒸氣的感應(yīng)期來選擇防爆型電氣設(shè)備等。
五、防爆技術(shù)基本理論
防止產(chǎn)生化學(xué)性爆炸的三個基本條件的同時存在，是預(yù)防可燃物質(zhì)化學(xué)性爆炸的基本理論．也可以說，防止可燃物質(zhì)化學(xué)性爆炸全部技術(shù)措施的實質(zhì)，就是制止化學(xué)性爆炸三個基本條件的同時存在。我們知道，現(xiàn)代用于生產(chǎn)和生活的可燃物種類繁多，數(shù)量龐大，而且生產(chǎn)過程情況復(fù)雜，因此需要根據(jù)不同的條件采取各種相應(yīng)的防護措施．但從總體來說，預(yù)防爆炸的技術(shù)措施，都是在防爆技術(shù)基本理論指導(dǎo)下采取的。例如為了消除可燃物形成爆炸性混合物而采取的惰化措施，即利用惰性介質(zhì)氮氣、二氧化碳和水等，排除容器設(shè)備或管道內(nèi)的可燃物，使其濃度保持大大小于爆炸下限。防止泄漏也是防爆的重要措施，除了預(yù)防可燃物質(zhì)從旋轉(zhuǎn)軸滑動面、接縫、腐蝕孔和小裂紋等處的跑、冒、滴、漏之外，特別需要注意預(yù)防從閥門、蓋子或管子脫節(jié)等處的大量泄漏．又如為預(yù)防形成爆炸性混合物，可采取措施嚴格控制系統(tǒng)的氧含量，使其降至某一臨界值(氧限值或極限含氧量)以下。為了保證上述防爆條件采取的監(jiān)測措施和報警裝置，以及消除著火源的各種措施等等都是在防爆技術(shù)基本理論指導(dǎo)下采取的措施
