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帖子主题:工业装置爆炸机理与过程分析
楼主:游客3981 [2011/9/13 11:09:50]

工业装置爆炸机理与过程分析

爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化。在变化过程中,伴有物质所含能量的快速转变,即变为该物质本身、变化的产物或周围介绍的压缩能或运动能。因此,它的一个重要特点是大量能量在有限的体积内突然释放或急骤转化。这种能量在极短时间和有限的体积内大量积聚,造成高温高压等非寻常状态,对邻近介质形成急剧的压力突跃和随后的复杂运动,显示出不寻常的移动或机械破坏效应。爆炸的一个显著的外部特征是由于介质受振动而发生一定的音响效应。一般将爆炸过程区分为两个阶段:先是将某种形式的能量以一定的方式转变为原物质或产物的压缩能;随后物质由压缩态膨胀,在膨胀过程中作机械功,进而引起附近介质的变形、破坏和移动。由物理变化引起的爆炸称为物理爆炸;由化学变化引起的爆炸称为化学爆炸。

一、工业装置爆炸过程

现代科技和规模经济的发展,使工业生产及经济运行过程的技术密集性、物质高能性和过程高参数性更为突出,使工业装置的爆炸事故更具突发性、灾害性和社会性。人们在经济、社会、科学、生产等广泛地实践中,会意外的遇到无数次意想不到的爆炸事故。

这种人们不希望出现,但是时时出现,处处出现的爆炸事故,这种爆炸事故所展示的技术工程问题和科学理论问题,是任何其他有目的的科研生产领域或有目的探索和研究所不能取代的。它以另一个侧面为人类探索科学、发展经济、社会进步提供了大量的必不可少的理论问题和技术工程问题,是人类不可缺少的一类知识体系。

危险是客观世界普遍存在的一种物变趋势,爆炸现象又是这种物变过程中的突发事件、特殊事件、典型事件。如果我们认真研究各类爆炸事故的技术状态及其存在的条件,研究工业装置及科学实验装置在正常、平衡、平稳、协调的运行中突发爆炸事件的转化机理和动态过程规律,就能揭示不同工业装置和科学实验装置出现的同一爆炸现象的基本规律。

爆炸事故是过程系统状态连续变化而出现的突变、突跃或突跳。一般的工业装置及运行系统由设计参数,设计条件变为正常的生产运行和工程运作,依靠的是物质、能量、信息和控制系统的平衡、平稳、有序和协调。这种维系的安全系统是由相互作用、相互依存的相关系统和若干元素组成的具有特定功能的有机整体。其基本特征既具有整体性、层次性、目的性和和适应性;又具有平衡、平稳、可控和可调性。过程运行所具有的安全系统在设定的条件下运行,实现预定的功能,完成既定的任务,实现确定的目标。但是,系统在运行中,由于物质构成和数量的变化;由于能量的耗散或聚集;由于信息的丢失或错误;由于控制的失误或失效等,安全的过程就会偏离运行轨迹,失去平衡、平稳、无法控制或无法协调而出现异常或突跃。如果这种事故过程伴有物质所含能量的快速转变,即变为该物质本身、变化的产物或周围介质的压缩能或运动能,大量能量在有限的体积内突然释放或急聚转化,这种能量积聚、释放或转化的结果,就会导致我们已经司空见惯的爆炸事故。

工业生产由于过程介质、过程工艺的特点、爆炸事故成为过程运行的主要危险。

任何爆炸都会存在一个事故有原点,所谓事故原点就是系统中的某种物质、能量的潜在危险,这种潜在危险可以在偶合条件成熟时,在触发能量作用下发生突变或突跃,这种突变或突跃伴有物质所含能量的快速转变,大量能量在有限的体积内突然释放或急剧转化,形成系统高压,导致爆炸。事故原点具有初始性、因果性、突发性。事故原点决定了爆炸事故的性质和能量级以及伤害程度和破坏形式。所谓触发能量就是触发事故原点转化并导致系统爆炸的某种能量,而触发能量和偶合条件决定了爆炸事故何时发生,怎样发生,发生后的环境条件。

事故原点的技术状态,存在空间和质量变化是一个连续过程。而导致这种变化的原因是系统中物流、能量或能量载体的信息控制、保障体系。事故前系统中存在的事故原点和这种控制系统相互连续作用,而导致系统过程状态的变化,互为依存条件,共存于事故从开始到结束的整个过程中。这种连续作用的结果使过程状态发生突变,系统功能产生质的恶化,导致爆炸事故发生。由于过程状态和影响因素的复杂性决定了这种连续变化的复杂性,多模态的存在状态。这种连续变化表现了系统结构和状态变化与影响因素之间的因果关系,反应出因素的连续变化如何使系统结构和状态发生突跃,或因素的连续变化使系统功能产生的恶化和衰减,显示出影响因素的不同作用状态和作用质量导致爆炸的过程是有区别的。

爆炸事故是正常过程失控的一种表征,要认识和掌握事故规律,建立过程系统的事故模式,就应该从更完备综合的角度认识和分析这一整体。从过程的结构、功能、转换等一系列基本属性进行综合分析和描述。全面地把握这些基本属性内在联系及因果关系,建立起物系的运行状态和约束条件逻辑体系和变化轨迹。

事故是一种无情的、直接的反映物系变化、转换、运动本质规律的一种现象。在某种意义上讲,我们建立起来的分析系统的事故模型是在掌握研究大量同类事故,掌握系统危险因素,潜在能量,在触发能量,偶合条件作用下转化为事故的规律性基础上完成的。爆炸事故发生后,对爆炸事故的技术分析和鉴定需要经过以下的几个技术环节:

 (1)能量的产生,积聚、释放、转化及运动形式的研究,异常现象产生到消失的变化过程和机理;(2)物系由一种平衡稳定状态转化为另一种事故状态的突变过程及机理;(3)物质由于数量变化到质量转变而引起事故的变化过程;(4)能量及物质非常传递及整体转移的变化过程。

就整个工艺过程来讲,每一个因素及参数在每一个确定的时间都应具有同整个过程系统稳定相一致地量值,这些量值是过程安全生产,正常运行的保证。如果这些量值发生偏差和波动就会导致事故的发生。

在工艺过程,无论是各个基层单元还是物料流、信息流;无论是物质变换系统还是辅助物料的供给系统,能量供给系统;无论是化学反应过程还是单元处理过程等,综合系统的分析结果表明,按照爆炸事故内在规律,过程机理,可以总结以下事故模式:

(1)功能失效模式

任何基本单元,任何设备、管件、阀门、仪表,任何过程和系统都应具有特定的功能要求,这是保证系统正常运行、安全生产的基本条件。如果由于材质、结构、制造、腐蚀、疲劳、缺陷、选型、强度等原因,由于工艺因素、外部环境的作用造成装置功能失效,超出危险极限就会引起事故,如果系统状态突跳造成能量积聚和积放就能导致爆炸。

(2)系统平衡破坏模式

任何单机、设备、过程或系统,在正常运转的情况下,其物料流、能量流、信息流、输入输出、机械运转等都处于平衡状态;系统的控制参数温度、压力、流速、转速、液位、配比等都处于平衡和平稳的状态,如果由于某种原因破坏了这种平衡导致能量的积聚和积放,就会引起爆炸。

(3)爆炸危险物(系)一触发能量爆炸模式

工艺工程,由于种种原因可燃物、毒害物等危险性介质泄漏在系统之外,危险介质在某种触发能量的作用下就会引起空间爆炸、装置内爆炸或大面积燃烧。

(4)热分解热爆炸模式

爆炸性物质、分解性物质在很小能量的作用下就能引起快速反应,迅猛分解等突然爆炸。

(5)临界条件超越模式

介质在系统内的运动、转换和变化所以能够维持平衡   、正常安全的状态,是由于它被限定在某限、空间极限、强度极限等,如果超过这些极限值,安全系统就能失去稳定和平衡而导致爆炸事故。

 (6)能量聚积释放模式

化学工艺过程存在有流体能、热能、化学能、电能、机械能、电离能、辐射能、冲击能、压缩能、膨胀能等。这种能量在正常情况下成为系统平衡与稳定的必要条件。但在某种条件下,由于物理或化学的原因造成能量的非常聚积和释放,引起事故。例如化学介质流动、混合等过程引起静电打火;高压气体的绝热压缩、高流速气体喷射引燃,高温下物质分解等,都可以引起爆炸事故。

(7)接触或混合危险物(系)爆炸

两种或两种以上的化学物品混合接触,在一定条件下,发生化学反应,产生高热,反应激烈,引起着火或爆炸。这种混合危险有以下三种情况。

(1)化学危险品经过混合接触,在室温条件下,立即或经过一个短时间发生急剧化学反应,放热,引起着火或爆炸。(2)两种或两种以上化学危险品混合接触后,形成爆炸性混合物或比原来物质敏感性强的混合物。(3)两种或两种以上化学危险品在加热、加压或在反应锅内搅拌不匀的情况下,发生急剧反应,造成冲料、着火或爆炸。

(8)热平衡破坏反应失控爆炸模式

爆炸能量的源泉是热量,反应失控的结果也可以导致能量的积累和释放都会导致爆炸事故。

二、压缩气体过压爆炸事故

封闭外壳或局限空间承受不住系统内压缩性气体介质的压力引起的一种装置破裂泄漏或装置爆炸现象,称为压缩气体过压爆炸事故。高压气体的许多特性、特别是同危险性有关的特性皆源于压力的升高。这可称之谓压缩效应。其中有:①由于压力升高,反应分子的浓度增大,反应速度加快,单位时间放热量(放热速度)随之增大;②压力升高,通过扩散、对流的热迁移减少,热辐射则增强,总的是使热损失减少或不变,这将促进燃烧、爆炸反应的发生和进行;③压力升高还会带来其他许多影响。当然不同的压缩气体,其具体的压缩效应有所不同。过压装置泄漏或爆炸时,气体迅速膨胀、降压,体积直至扩散到极限压力,即大气压为止。由于降压膨胀速度很快,可视为绝热过程。装置由于过压导致破裂泄漏时,往往发生在外壳的薄弱部位,一般情况下不产生碎片。

压缩气体的过压爆炸事故一般发生在工业装置运行过程中的压缩气体的超压过程或高压串入低压系统等。空气压缩机贮罐的爆炸、压缩气体高压钢瓶的超压爆炸、压缩气体管道的超压爆炸等。内部压力上升到超过其强度极限时,就会爆裂。使大量气体喷出而引起爆炸。以致正常开阀放气也不足以排除压力的升高。

在绝热压缩过程中,当空气压缩至1MPa左右时,气体的温度可由初始温度ffice:smarttags" />22上升至298;当空气压缩至4MPa左右时,气体的温度可高达574,在这种温度条件下许多油类物质、炭化与焦化物质等都可能自燃,这就是我们所知道的绝热压缩引燃能量。

  压缩气体在压缩、输送、贮存、使用过程中除会产生超压爆炸事故之外,还会发生其他许多事故现象。(l)高压串入低压系统  A.隔断失效;B.逆止未装或失效;C.压差变化;D.负压;E.液封失效。(2)憋压  A.系统阻力;B.排空系统失效;C.呼吸阀失效,D.液封或气阻,出口阀关闭。(3)倒流  A.气源中断或故障;B.高压串入;C.逆止阀失效;D.液封、料层失效;E.反转;F.隔膜击穿。    (4)负压  A.错接真空;B;真空过大;C.系统降温;D.呼吸阀失效;E.冷液浸入;F.液位降低。

三、液体引起的相变爆炸

液体引起的相变气化爆炸一般发生在液化气体的气化爆炸、过热液体的闪蒸爆炸、液体的受热气化引起的蒸气爆炸等。假如使水、有机液体和液化气体处于过热状态,其瞬间便可成为蒸气,从而出现爆炸现象。在地面的积水中,掉进灼热的碳化钙或熔化的铁水时,也可以引起爆炸。在罐底的低沸点液体,因为受到合成热或外部火焰的热而使温度升高,提高了罐内的蒸气压力,当容器开裂时,则残留的过热液体瞬间发生激烈的气化而引起爆炸。

常温常压下的液体发生相变气化爆炸的主要原因和形式有以下几种 1)低沸点液体进入高温系统;(2)冷热液体相混且温度已超过其中一种液体的沸点;(3)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;(4)封闭层下的液体受热气化。

在石油化工生产过程中,水经常引起爆炸,这是由于水加热气化时有很大的体积增长倍数,在一个大气压和100条件下等温气化、1m3的液体气化后变为1700m3的蒸汽。在低于大气压的条件下,水甚至在100以下沸腾和急剧的膨胀,具有很强的破坏能量。

加热含有水或油水混合物的管线,换热器、容器或其他设备时必须小心。特别是在检修后开车时,因为在水中洗、扫线过程中,水经常积聚于容器的底部、塔的抽出盘、管线和换热器的低点等。这些环节都是容易引起液相气化爆炸的过程。

所有通过水冷却器的油品,油品侧的压力应高于水侧的压力,热油贮罐应有充分的放空能量,贮罐应有几个排水口,以保证有效地除水,以保证没有水的积集。在有加热设备的贮罐内,液面绝对不应低于加热盘管,罐一旦闲置,或作它用后将其用于贮存热油时,应特别注意除水和其他必要的措施,以保证无水存在。当通蒸气吹扫和开工阶段一定期地从容器底部管线或换热器的低点除水,在寒冷的气候下,确保使冰融化并除掉。在开车前应用蒸气冲洗所有的回流线,在回流泵启动前应用蒸气冲洗所有的排液管线、容器和其他设备等都是为了防止液相由于承受热气化而发生爆炸。

在冶炼、铸造、锻造、电炉等工作场所中,经常发生灼热的熔融金属与水接触,瞬间生成大量的水蒸气,由于体积急剧的膨胀,引起激烈的爆炸。我们把这种现象,称为水蒸气爆炸。高热的钢水、熔融的硅铁、电石、赤热的焦炭等高温物质遇水后都可能造成这样的事故。譬如从电炉出口流出熔化的硅铁时,与地面上的水接触,就可以引起水蒸气爆炸事故。如果将熔化了的金属块表面浇水,会引起激烈的燃烧。在水滴上浇液态钠,则会引起水蒸气爆炸,比前者更为激烈地飞溅出燃烧中的钠块。在硫酸中注水时引起的爆炸,也可以解释成由稀释热引起的水蒸气爆炸,甚至在石油罐火灾中产生的爆炸性突沸现象和火山爆炸中的某些现象,都可能伴随着水蒸气的爆炸。

在电炉、火炉以及其他处理大量高热物的工作场所中,地面应该是无水的,要经常操持干燥状态。特别是在地坑内要防止进水,注意排水。同时也应该防止漏雨以及电炉、电极上的冷却水、凝结水等滴入电炉中。特别是熔融的灼热物质从炉中流出时,应该用干燥的沙子把它堵住,以防流散扩大事故,绝对禁止往上面烧水。

然而,各种可燃液体物质性质的不同问题还比较复杂,尤其是水夹杂在油品中时。例如原油的油罐或油池表面燃烧时具有热输入的反应,或称之为原油的热波特性。假定锥顶原油罐已经引燃,罐顶全部或部分被揭开,因此表面上的蒸气可以不受限制地按可燃的比例与空气混合,此时热是在液体上面,液体表面正在被加热。高比重指数低沸点的烃类正在离开表面而与空气混合,它们正在形成燃料而被送入火中。

对某些沸程非常窄的原油,在连续的燃烧过程中,热量渗入很浅的油层之内,但是一般宽沸程原油中,沸点较低,比重指数较高的烃类离开表面而馈入火内,而沸点高的烃类则沉向底部,或者穿过热的表面而形成一个热的锋面,当继续燃烧时,此锋面逐渐深入加热冷油,这一现象称之为热浸。

温度的升高是分段进行的,当轻馏分蒸出并逐渐消耗时,火焰基部与油表面之间的蒸气空间就越来越少,当再没有更多的馏分蒸出时,就会使表面温度迅速升高,此时逐渐的蒸出重组分。热波基于热的输入和蒸气的输出而发展,当热波达到水或乳化层时,就会引起蒸气的爆喷。假定原油罐在表面上燃烧和建立一个逐渐下降的热波或热层进入油的本体内,并且使油继续燃烧直至热波与油层下面的水起作用,将水转变为大量蒸气,此时将会使一定量燃烧着的油推出罐外,这就是沸溢。沸溢必须具备三个条件,即热波移至油下水,水转化为蒸气,蒸气不易通过粘性油层。溅溢不同于沸溢。虽然都决定于热及其厚度,溅溢通常是由于消防人员灭火操作而人为造成的,溅溢是由于水沉到热波之中时形成蒸气气泡,使油中的重组分形成泡沫溢出。

四、液化气体(物理蒸气)、高温饱和液体爆炸     

液化气体在封闭外壳破裂时发生爆炸。液化气体在封闭外壳内气相和液相在一定温度下总是处于平衡状态。当外壳破裂时,系统内的气相部分首先迅速膨胀,使系统压力瞬间减压或降至大气压力,系统内气液平衡被破坏,由于液体往往处于过热状态或迅速吸收环境热量而快速蒸发气化,外壳受到突跃压力的冲击,形成很高的爆炸能量。因此液化气体和高温饱和液体的爆炸是由于系统压力突然下降、装置内介质原有的汽液平衡状态被破坏,液体在减压状态下迅速蒸发气化引起的一种爆炸现象。

液化气体、过热液体爆炸的原因及形式一般有以下几种:(1)外壳破裂气液平衡破坏液态介质气化闪蒸;(2)过热液体减压闪蒸;(3)超过临界温度液体气化;(4)低沸点液体进入高温系统;(5)高温热载体夹带低沸点液体;(6)反应热液相快速气化;(7)满罐胀裂液态迅速气化。(8)液化气体、高温饱和液体受外界高温影响,由于温升系统超压爆炸;(9)液化气体、高温饱和液体反应装置或贮罐气相空间形成爆炸性混合系,爆炸后由于爆炸波的传递形成液相冲击和能量叠加装置破裂而爆炸。

液化气体、高温饱和液体这种物理性蒸气爆炸往往发生在两种不同温度的液体激烈混合时,或细碎的热固体材料与很冷的液体迅速混合时。这里不涉及化学反应,而是当较冷的液体以极快的速率转变成蒸气,以致产生局部高压时,就会发生爆炸。当液体天然气(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。海水(或河水)与岩浆相混合,立即气化而发生爆炸。物理蒸气爆炸的能量当量最简单的估算方法是计算热流体冷却所释放出的总热量。

液化气体、高温饱和液体爆炸时,液体的加热源可能来自以下几个方面:

1)火灾或人为用火从外部加热液体容器;

2)液体介质在氧化、分解、聚合时,容器中积聚反应热;

3)突然进入了其他高温系统或高温介质突然进入系统;

4)由于容器耐压程度低而破裂的,在环境常温作用下也能引起液化气体的爆炸。

液化气体爆炸的特点是不需要任何点火湖,而仅仅需要一定的热量,破坏其气、液平衡就足以引起爆炸。

液化气体及高温饱和液体,发生爆炸的一种典型过程,是由于装置内液体充装过量,在升温的条件下装置受到液体膨胀强度的破坏而发生破裂。由于装置的破裂使介质的气液平衡被破坏,导致液化气体或高温饱和液体瞬间闪蒸气化而发生爆炸。

在满装状态下,容器在液体的热膨胀作用下旁通形,如果容器内压力超过了它的屈服压力,则容器的容积将会迅速增大,这种情况有利于缓解瓶内压力的剧烈升高,但容器的强度大大降低。

在-ffice:smarttags" />40满量的液氨容器到30时,压力可以升到约1200大气压,这是极端危险的。但是在规定填充量范围之内,即使到68.8也是安全的。如过量10%填充时,到32就达到满量,在夏季是很容易达到此危险状态的。因此留有足够的气相空间,是防止液化气体高温饱和满量爆炸的重要措施。

五、可燃气体(蒸气)与无约束蒸气云爆炸  

可燃性气体或蒸气与空气组成的混合物,并不是在任何混合比例下都是可燃或可爆的,而且混合的比例不同,燃烧的速度(火焰蔓延速度)也不同。由实验可知,当混合物中可燃气体含量接近于化学计算量时(即理论上完全燃烧时该物质的含量),燃烧最快或最剧烈。若含量减少或增加,火焰蔓延速度就降低,当浓度低于或高于某一极限,火焰便不再蔓延。可燃性气体或蒸气在空气中刚足以使火焰蔓延的最低浓度,称为该气体或蒸气的爆炸下限(或称为着火下限);同样刚足以使火焰蔓延的最高浓度称为爆炸上限(或称为着火上限)。浓度若在下限以下及上限以上的混合物就不会着火或爆炸。

可燃性气体与空气(氧)混合系的爆炸可能发生在装置外,也可能发生在装置内。

装置外可燃气体混合系的爆炸,是由于各种技术原因及操作原因装置泄漏,可燃性介质在装置外引起的一种爆炸或火灾事故。以下几种原因: (1)装置质量因素泄漏  A.材料错误,品质不符;B.强度不足;C.加工焊接组装缺陷;D.裂纹扩展;E结构缺陷;F.密封失效。(2)装置工艺因素泄露  A.高流速介质冲击摩擦;B反复应力作用;C.腐蚀破坏。D.蠕变失效;E.冷脆断裂;F.结焦原因;G.结垢;H.老化变质;I.内压超高。(3)外力因素破坏  A.外力飞行物打击;B.运载过程倾倒;C.施工破坏,D.强力拉断;E.基础下沉或倾斜;F.支撑体变化;G.过猛操作;H.地震破坏;I.设备误敞开。

装置泄漏的原因主要有(1)本体材料泄漏:  A.材质缺陷;B.局部应力;C.反复载荷;D.蠕变外力;E.应力腐蚀;F.残余应力;G.裂纹扩展;H.异常温度;I.异常外力;J.腐蚀穿孔。(2)法兰泄漏:  A.平行度不良,加工缺陷;B.紧固缺陷;C.热变形;D.腐蚀;E.材质不符;F.错装备;G.热应力;H.疲劳;I.外力;J.强度影响。(3)焊缝:A.焊条选择不当;B.焊接电流影响;C.加工坡口不良;D.杂质异物影响;E.施焊方法不当;F.材质问题;G.残余应力;H.裂纹,I.热彭确;J.振动。(4)衬垫:  A.材质不良;B.残余应力;C缩孔;D.位移;E.硬度影响;F.机械强度;G.使用错误;H.疲劳;I.内压增大;J.振动;K.热应力,L.反复荷重;M.安装质量;N.腐蚀;(5)螺拴:  A.材质影响响;B.应力影响;C.温差影响;D.安装质量;E.选型不当;F.内压作用;G.振动。

    装置内混合系的爆炸是由于(1)  空气进入装置  A.负压;B.密封失效;C.隔断阀打开;D.空气压送。(2)  配气错误  A.气源错误;B.计算设定错误;C.操作失误。(3)新生爆炸系  A.新生气体;B.新生爆炸危险物;C.新生过氧化物;D.杂质积累。(4)可燃气错流  A.点燃失效;B.燃烧中断;C.隔断失效;D.压差失控;E.气体倒流。

可燃气体与空气的均匀且在一定浓度范围内的混合物,由于勿需扩散过程,所以被点火后燃速很大。当处在密闭度较大或高压条件下,或该混合物量很大时,燃烧波(即燃烧反应带)在传播一定距离后,传播速度会突然增大,以致秒速千米以上,这就是爆轰。

由于气体、液化气体或易挥发的液体可燃物的大量泄漏、与周围空气混合,形成覆盖很大范围的可燃气体混合物系,在点火能量作用下而产生的爆炸,与一般的燃烧和爆炸相比,气云爆炸的破坏范围要大得多,所造成的危害程度也要严重的多。气云爆炸的形成一般要经过以下几个阶段1)燃料气体或液体在短时间内的大量泄漏、液体可燃物蒸发为蒸气;(2) 可燃气体或蒸气与周围的空气混合形成可燃混合物并聚集于空间;(3)可燃混合物被点燃;(4)点火后初期气云中常常只发生低速燃烧并迅速覆盖广泛的区域;(5)形成空间爆炸。(6)爆炸后空中往往残留继续燃烧的火球。

可燃性液体只有当其蒸气与空气中的氧气以适当体积的比例混合并引燃时,才能燃烧。因此,防止和消灭火灾爆炸事故的有效方法是打破体积百分比——破坏平衡。尤其石油及其产品的蒸气在空气中比例范围是狭窄的,因此容易使其达到不平衡以防止引燃。

气云爆炸由于泄漏与点火之间有一定延滞时间,因而在广泛区域内形成可燃混合物气云,为预混火焰的传播奠定了物质基础。由于点火源的强度高并存在火焰加速条件而导致气云的快速爆燃甚至爆轰。气云爆炸所造成的破坏效应可表现为1)形成相当大的火球;(2)在大气中形成爆炸波,爆炸波的强度取决于气云燃烧的速度,可能在由弱到强的很大范围内变化;(3)破片效应通常可以忽略;(4)气云爆炸后往往仍然有火球燃烧,这是由于气云团的燃烧当量比太高的缘故。

由于局部的约束(障碍物等),引起局部湍流和漩涡,使火焰与火焰相互作用,造成很高的体积燃烧速率,甚至转变为爆轰,强冲击波点火能使蒸汽云的爆燃转为爆轰,用高能炸药也可直接激起蒸气云的爆轰,军事上就是利用这种原理,制成“燃料空气炸弹”。将液化燃料装在弹体内,先用几个小药包的爆炸来分散燃料,使液滴散播在空中,与空气混合成可燃混合物。然后,再用强起爆源起爆,使分散在空间的蒸气云激起爆轰,产生比高级炸药更大面积的杀伤作用。

在一些综合性化工企业中,油气储存、运输过程和远距离输油管道输油过程中,都有可能产生可燃气体的泄漏。可燃气体一旦发生了泄漏,随后就可能发生下面四种情况:

1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。

2泄漏的可燃气体在泄放口上高速喷射、磨擦或静电点火,在这种情况下,一般只引起着火而不爆炸;

3泄漏物扩散到广阔的区域,经过一段延滞时间后,可燃蒸气云被点燃发生空间爆炸,接着发生一场大火灾;

4火焰经过较长距离的传播而加速,使爆燃向爆轰转变,产生危险的爆炸冲击波。

无约束蒸气云可以扩展到很大范围,因此是很危险的。由于泄漏进入开放的空气中,遇到适宜的气象条件,发生火之前就能产生大面积的可燃蒸气与空气混合形成的云团。1974年6月英格兰的弗里克斯保洛夫附近的一个化学工厂就发生了一起大规模的无约束蒸气云爆炸事故。由于一段直径为0.5m的临时连结管道断裂,引起压力为850kPa和温度为155℃的近45吨环己烷泄漏,泄出的燃料急剧蒸发,形成大范围的可燃蒸气云层笼罩着厂区,距离泄漏点相当远的氢气工厂的燃烧炉引燃,开始火焰比较平稳,接着火焰加速,最终发生了爆炸。产生的冲击波对工厂和民房的破坏范围远达一英里以外。事故使28人丧生,89人受伤,造成直接经济损失约1亿美元。

1970年美国密苏里州的富兰克林县的丙烷蒸气云爆轰,一条地下管道爆裂,管道中以0.7MPa压力输送的丙烷逸出,在管道上方形成“喷泉”,并与空气混合成燃料空气混合物。此混合物随风流动,开始充满大片山谷凹地,蒸气云的厚度达到大约6m。在凹地另一端的泵房――一个强点火源作用下,蒸气云的爆轰被直接触发。爆轰后紧接着形成一个大火球。由于燃料空气混合物中燃料含量太高,所以不能继续爆轰。这次事故的TNT当量大约为燃料完全燃烧时TNT当量的7.5%。

压缩空气管道,当管壁上附着有油或炭时,再与压缩空气混合,产生爆裂加爆炸,甚至在一些长管道中形成爆轰。曾经发生过压缩机中的油蒸气在管道内与空气相混合,结果发生爆轰,几米长的水平管道开裂成长条。这种爆炸特别容易发生在管道弯头处。

喷雾爆炸是气相可燃混合系爆炸的一种特殊形式。     喷雾爆炸亦称雾滴爆炸。是工业生产过程中液相或含液混合系由于装备破裂、喷射、排空、泄压及泄漏等原因而形成的可燃性雾滴引起的爆炸。液体雾化、热液闪蒸、气体骤冷等都可能形成液相分散雾滴。较小的液滴只需要较小的点火能就能引燃。影响喷雾爆炸的因素主要是1)使微滴达到它的沸点和液体蒸发所需的热量;(2)微滴表面接近沸点时才发生燃烧,燃烧粒子的质量变化率与粒子直径成比例;(3)在雾滴燃烧中,较大粒子比较小粒子燃烧速度大得多。但是,燃烧粒子的寿命与它的最初直径的平方成正比。小粒子在大粒子之前消失;(4)燃烧蒸气的大多数热量通过对流作用传递给粒子;(5)可燃性液体雾滴和蒸气-空气混合系浓度极限近似相等;(6) 可燃性液体雾滴在闪点温度以下也可以引爆;(7)惰性气体、雾化水、卤化烃等均能对雾滴燃烧产生抑制作用。

研究表明,以雾滴形式存在的可燃液体在温度远低于其闪点的温度下,也可以像其蒸气-空气混合物一样传播火焰,发生燃烧爆炸。而且液滴的燃烧速度不是决定于蒸气压,而是使液滴达到沸点及液体蒸发所需要的热量。所以沸点下的蒸发热在雾滴爆炸中比其蒸气压具更重要的意义。雾滴燃烧过程中,95% 的热量是通过对流传给未燃烧液滴的。细微液滴的可燃下限(质量百分浓度)与蒸气的很接近。易燃蒸气的可燃性区域只是在闪点以上的温度下是重要的,但雾滴的可燃范围却可延伸至闪点以下。总的说来,燃料/空气比是影响燃烧的关键条件,但雾滴的均匀性也是影响火焰传播的重要因素。雾滴中的爆炸速度比蒸气要低些,随雾滴浓度增加稍有提高。较大的雾滴燃烧速度不够稳定。

粉尘爆炸是气相混合系爆炸的另一种特殊形式。粉尘爆炸过程中显示出燃烧、爆炸危险性通常要具备以下几个条件。①细化至可以称其为粉尘。“尘”大多指碎化而成的细小固体颗粒,自液状或气状凝结而成的晶粒或无定形粉末的情况也有。其界定没有严格标准,一般多是指粒径在1.0mm以下,当<0.42mm时就具有了爆炸危险性。②此可燃性粉尘要悬浮于空气或其他助燃性气体中。当粒子<10-4mm时,可以成为气溶胶形式稳定地悬浮于空气中而不会沉降;大于10-2mm时则会较快地自悬浮介质中沉降下来呈堆积状,为了能使其悬浮应保持流动或不断搅拌,堆积粉尘不会直接发生爆炸,所以研究粉尘爆炸危险时要区分悬浮粉尘与堆积粉尘两种情况。③要有足够强度的点火源。最小点火能量随粒子尺寸减小而减小,但通常情况仍约比碳氢可燃气体大一个数量级。如果粉尘长时间受热产生了干馏可燃气体时,其危险性就接近于可燃气体了,或成为引发粉尘爆炸的原因。

六、热爆炸与自催化热爆炸    

凡是在单纯的热作用下,爆炸物能发生自动的不可控的爆炸现象均称热爆炸。热爆炸理论主要是研究爆炸物产生热爆炸的可能性、临界条件(温度、几何尺寸)和满足临界条件下发生热爆炸的时间等问题。热爆炸的临界条件就是指在单纯的热作用下,能够引起爆炸物自动发生爆炸的那些最低条件。爆炸物热爆炸理论可分为稳定状态理论和非稳定状态理论。

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爆炸物的热爆炸是爆炸物体系的一种不可控的内加热效应。可以由外部加热也可以由内部自身的自发化学热而引起。在适宜的几何尺寸、温度、绝热等条件下,所有爆炸物或者能进行放热反应的物质都可以出现自行引燃,甚至爆炸。产生热爆炸现象的基础是化学反应的放热性及化学反应速度与温度的关系,根本原因是体系的放热速度大于散热速度,在系统内出现热积累。热量是爆炸能量的源泉,而快速使有限的能量高度积聚,而产生和存在的气体会高度压缩,产生极高的压强,成为爆炸能量的载体。放热速度等于散热速度的不稳定平衡点对应着热爆炸的临界状态。热爆炸非稳定状态理论是解决一旦出现热爆炸可能性后,热爆炸延滞期的长短问题。爆炸物从受热开始到出现快速温升的时间就是爆炸物热爆炸的延滞期。造成爆炸物温升的条件是热量在爆炸物质量中的积累。热爆炸研究的方法有加压爆发点法、夹套式反应器法、杜瓦瓶保温储存法(绝热储存试验)等。

七、物质的热分解爆炸

   物质的热分解爆炸通常发生在:(1)单一气体分解爆炸;(2)爆炸物受热分解曝炸;(3)有机过氧化物热分解爆炸;(4)无机过氧物分解爆炸;(5)热敏感物分解爆炸;(6)有机物热分解爆炸;(7)高分子物热分解爆炸;(8)釜残物热分解爆炸。

简单的热分解爆炸是一些简单的无氧化合物(如叠氮化铅、乙炔银、三氯化氮等)具有直接分解生成其组成元素的稳定单质的爆炸现象。

    (1)整体反应  在强冲击波作用下,波阵面上的爆炸物受到强烈的绝热压缩,受压缩的物层各处均匀升至高温,化学反应在整个反应区内进行。能进行这类反应的炸药一般为均质炸药,即在炸药的任一部分的成分和密度都是相同的不含气泡的液体爆炸物以及致密的固体单体爆炸物等。整体反应依靠冲击波压缩使压缩层中的爆炸物的温度均匀升高,一般要在1000℃以上才能引起迅速的化学反应。

    (2)表面反应  在冲击波作用下,波阵面上的爆炸物受到强烈地压缩,物层中温升不均匀,化学反应首先从“起爆中心”开始,进而传到整个炸药层。固体粉状爆炸物、晶体炸药、含有大量气泡的液体爆炸物和胶体爆炸物等,在爆轰时多按表面反应机理进行。当受到冲击波压缩时,爆炸物颗粒之间的摩擦和变形、气泡的绝热压缩以及流向颗粒之间的气态反应气物等,都使在颗粒以及气泡接触表面处炸药的局部温度升得很高。爆炸物颗粒表面首先发生高速的化学反应,然后以一定的速度向颗粒内部扩展。

    (3)混合机理  混合爆炸物的物性不均匀是固体混合爆炸物所特有的。这种反应不是在爆炸物的化学反应区的整个体积内进行,而是在一些分界面上进行。

单体爆炸物组成的混合爆炸物爆轰时,首先是各组分自身反应,放出大部分热量,然后反应产物互相混合进一步反应生成最终产物。由反应能力相差悬殊的成分(例如由氧化剂和可燃物或爆炸物与非爆炸成分)组成的混合爆炸物可能是某些成分先分解,其分解产物渗透和扩散到其他组分质点的表面,并与之反应,也可能是不同组分的分解产物之间的反应。例如,硝酸铵的反应首先是分解成氧化剂(N0),如下式:

    2NH4NO3→4H2O+N2+2NO+122.17kJ

然后,爆炸物的可燃成分或该成分的分解产物与NO作用,放出大部分化学能。

    凝聚爆炸物一般是借助于热冲量、机械冲量等的直接作用来引发凝聚爆炸物的爆轰过程。热冲量引发爆轰,往往经过一个不稳定的燃烧阶段,然后由燃烧转变为爆轰;机械冲量引发爆轰时产生“热点”,这是爆炸的活化中心。“热点“迅速地进行化学反应并且以爆轰传播的特有速度向爆炸物深处传播。

凝聚爆炸物的爆压可达几万个兆帕,爆轰产物的密度在2g/m3,比气体爆炸物大几千倍甚至上万倍。

某种可燃气体在某种条件作用下,可以快速分解而且产生高热而发生爆炸。例如乙炔、乙烯、环氧乙烷、乙烯基乙炔、丙炔、氯乙烯、氮氧化物、臭氧等都可能产生这种现象。

乙炔分解爆炸反应:

    C2H22C(固)十H2      ΔH=-226.7kJ/mol

    乙炔分解爆炸时,终压为初压的11倍左右。压力升高,分解爆炸危险性增加。乙炔分解爆炸的临界压力为0.137MPa(表压)。

    乙烯分解爆炸反应:

C2H4→C(固)十CH4        ΔH=-52.56kJ/mol

乙烯分解爆炸的临界压力为3.92MPa(表压)。

环氧乙烷分解爆炸反应:

C2H4O→CH4CO  ΔH=-134.2kJ/mol

   2C2H4O→C2H42CO2H2  ΔH=-33.36KJ/mol

以上两种分解过程同时存在。   

八、热平衡破坏与反应失控爆炸

    工业装置反应与运行过程都需要维持规定的反应和运行条件,保持正常的工艺条件和参数,一般工艺状态被破坏有以下多种原因:(l)反应物料配比变化:  A.超浓度;B.配比错误;C.配制错误;(2)初始反应温度低:  A.忘开搅拌;B.忘开加热系统;C.热载体问题。(3)反应物积聚过量:  A.计量错误;B.加料过快;C.混配不均;D.忘开搅拌。(4)温升过快:  A.热源过猛;B.降温系统失效;C.反应物系影响;D催化剂活性高;E.引发剂过量;F.局部热积累。(5)催化剂影响:  A.催化剂活性高;B.数量超;C.粒径、规格不符合要求;D.活化过程失效;(6)热敏感物、副产物:  A.热分僻;B.原料杂质影响;C.残留物积累;D.处理介质选择不当;E.精制或分离工艺不符合要求。(7)过反应物:  A.温度或压力失控;B.反应周期过长;C.杂质或催化剂影响;D.存放条件有误。(8)测量控制系统有误:  A.计量错误;B.测量失误或错误;C.判断失误;D.调节系统失控。(9)异常反应:  A.暴聚;B.起泡反应;C.加热介质选择不当,参加反应。

    热平衡破坏是工业装置的反应及处理失控的一种典型形式,除此之外反应及处理系统失控的原因及形式有以下几种: (1)反应系平街条件破坏;(2)产生新的危险物(系);(3)超过临界值;(4)控制失效;(5)热分解;(6)相忌物反应;(7)热积累;(8)副反应;(9)过反应;(10)相变;(11)液体蒸发气化;(12)液体或固体快速燃烧;(13)混合系引燃爆炸;(14)固体残渣热分解;(15)溶解气释放;(16)热敏物积聚变化;(17)高压串入;(18)排空泄压系统及平衡系统失效;(19)液满受热膨胀。

流程工业装置、液体工业过程,尤其是冶炼工业、石油炼制、化学工业等的生产过程的物质加工及反应系,一般地分为三个步骤:1)原料处理  为了使原料符合进行加工及化学反应所要求的状态和规格,需要经过加工净化、提浓、混合、乳化或粉碎等多种不同的预处理。2)化学反应  经过预处理的原料,在一定的温度、压力等条件下进行反应,以达到所要求的反应。3)产品精制  将由化学反应得到的混合物进行分离处理,除去副产物或杂质,以获得符合组成或规格的产品。

运行过程中的危险决定于介质的特性危险;物质与物系的配置工艺变化和失控的危险;设备的失稳、失效和损坏的危险以及系统缺陷和操作失误的危险。反应物系可分为合成、氧化、还原、加氢、脱氢、卤化、烷基化、硝化、磺化、羟基化、醛化、重氮化、聚合、裂化、催化、重整、碱解和酸解等。运行过程反应物系的热力学和动力学特点;反应物及主、副反应产物的性质;物系反应器的选型、结构和材料;安全适宜的反应条件及保持方法等都关系燃烧爆炸事故是否会发生的问题。流程工业的反应处理装置中的物系有以下多种:

            化工装置反应过程物系

单相反应过程

多相反应过程

气相反应物系

气固相反应物系

气液相反应物系

液相反应物系

液液相反应物系

液固相反应物系

固相反应物系

固固相反应物系

气液固相反应物系

 

   物质与物系的反应快速性表现为极短时间内完成反应过程的特性,它是化学爆炸区别于一般化学反应过程的最重要标志,爆炸反应快速性特征十分明显,一个爆炸反应过程往往可以在百分之几到百万分之几秒的时间内完成,也就是爆炸(系)的爆炸要比可燃物的缓慢燃烧快千百倍的原因。虽然这两种反应都会放出大量热,生成大量气体,但后者由于反应缓慢,气体产物可以扩散而不致形成高压;前者由于过程的快速性,故在反应过程中气体来不及膨胀,所放出的热量集中在爆炸物(系)原来占有的容积内而维持很高的能量密度,形成高温高压气体,使爆炸具有巨大功率和强烈破坏作用。

    流程工业装置运行中不仅有化学反应的各种现象,而且伴有复杂的物理过程、物理化学过程、生物化学过程等;由于系统介质的多变性和危险性,决定了装置引爆能量和引爆源的多重性和随机性。工业过程有关热的传递和交换、热的发生和导出、热的反应和变化等十分复杂,工业过程的爆炸事故几乎都是由于热的因素引起的。

    化工生产及化工装置的操作控制,要研究反应过程中热量平衡、能量平衡、动量平衡,研究各种极限控制参数,防止失衡、失稳状态的出现,防止热量、能量的积累导致爆炸事故的发生。

    爆炸中热能变为机械能的过程实际是由两类过程组成的,一是能量转换的热力过程,热能经传递转变为介质的内能,然后由介质作功把内能变为机械能;二是单纯的机械过程,介质在膨胀作功产生的机械能等于膨胀功。

要获得最佳的工艺系统结构和安全运行条件,必须运用系统工程的理论和方法进行处理,对影响装置工艺运行安全的参数及装备技术,综合各种影响因素和制约因素用定量的标准衡量其操作性、可靠性、安全性。装置运行中的操作性、可靠性、安全性是由装置的工艺技术水平、装备技术水平和控制技术水平决定的。

装置中物系安全问题既涉及宏观的物料和能量衡算问题,又有与微观的物质能量和动量平衡问题。物料平衡、能量平衡、动量平衡等运行平衡条件与工艺系统的结构以及过程状态等有本质的联系。如果进行综合分析便可求得工艺过程所有的安全平衡条件,不仅可以知道工艺过程装置运行总的特性参数,也可以知道维持装置正常运行物系的安全控制条件。

过程平衡分析中,有各种工艺过程通用的单元模型、事故突变模型。在平衡分析中,如果按照工艺结构的顺序进行,则可以由机器、设备来进行工艺分析,在一些模拟程序的单元模块中,在建立常用的物量、能量、热量、动量等危险状态分析模块的同时应建立事故预测分析模块和对应的预防控制决策模块。

    工艺过程所涉及的能量有动能、位能、内能、热能和功。流动物系的能量平衡可由动能、位能、热焓、热能和功表示。能量平衡大都是将热量平衡和与流体输送有关的能量平衡分开进行分析和计算。传质过程大多伴有加热和冷却过程,而流体输送时的能量平衡大都与泵、压缩机、汽轮机等流体输送机械和配管系统有关。传热过程中,传热速度取决于流体的流动状态,并与传热方式有关。

失控化学反应往往引起装置的爆裂。化学反应器发生爆炸,主要是由于正在进行的受控化学反应是放热反应,并在工艺控制中受到了某种干扰(例如催化剂太多、失去了足够的冷却、不适当的搅拌等)。在失控反应器的事故中,其压力上升极快,且容器通常以塑性模式破裂。如果物料是液体,并且该液体的温度高于瞬时挥发温度,则爆炸作用就像BLEVE爆炸那样。

人们已经对核反应器失控和反应堆芯熔毁产生的后果情况做了大量的分析,其中包括反应堆污染物储槽可能产生的灾难性破裂。这种破裂或者是由内部燃烧爆炸引起的,或者是由单纯压力爆裂引起的。最严重的事故是反应堆芯的熔毁。反应容器外壳结构的熔穿,使反应堆芯与外界环境中较冷的液体混合而发生物理爆炸,然而如果考虑到核反应的失控会使容器外壳遭到严重破坏(爆裂),那么物理爆炸本身所引起的危险相对就无足轻重了。长期起作用的放射性污染物的释出会毁灭发生爆炸事故的地区,与之相比,爆炸产生的破坏就成为次要的了。

 



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