壓力容器與管道安全評價3.1燃燒

1、第一節(jié) 燃燒,一、概述二、燃燒形式、類別、類型及其特征參數(shù)三、燃燒過程和燃燒理論,一、概述,1、燃燒與氧化的關(guān)系 燃燒是一種同時有光和熱發(fā)生的劇烈的氧化還原反應(yīng)。 氧化反應(yīng)并不限于同氧的反應(yīng)。 如金屬鎂的燃燒，鎂有兩個電子轉(zhuǎn)移到氧原子上，此時鎂失去電子而氧則獲得電子。 Mg→Mg2+ + 2e- (氧化) O2 + 2e→ O2- (

2、還原),鎂原子失去電子，故鎂被氧化，是還原劑；而氧氣獲得電子，被還原，是氧化劑，其反應(yīng)式為： 2Mg+O2→2Mg,同理，可列出許多反應(yīng)式，如氫、碳與氧反應(yīng)可寫成： 2H2+O2 → 2H2O C+O2→CO2 從化學原理看，一切燃燒現(xiàn)象均是氧化還原反應(yīng)，但氧化還原反應(yīng)并不都屬于燃燒反應(yīng)。,燃燒反應(yīng)必須具有如下3個特征： 1)是一個

3、劇烈的氧化還原反應(yīng) 2)放出大量的熱； 3)發(fā)出光 根據(jù)這三個特征，可以把燃燒和其他現(xiàn)象區(qū)別開來。,在日常生活和生產(chǎn)中常見的燃燒現(xiàn)象，大都是可燃物和空氣中的氧進行的劇烈的氧化還原反應(yīng)，但燃燒反應(yīng)并非都要有氧參加。如鐵或氫在氯氣中燃燒 2Fe + 3Cl2→ 2FeCl3 H2 +Cl2→ 2HCl,此時，氯得到電子被還原而鐵和氫失去

4、電子被氧化，在反應(yīng)過程中同時有光和熱發(fā)生，故屬燃燒反應(yīng) 可是下列銅與硝酸的反應(yīng)， 3Cu + 8HNO3→ 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO 就不能稱為燃燒反應(yīng) 因為反應(yīng)雖屬氧化還原反應(yīng)，但由于在反就中沒有同時產(chǎn)生光和熱。,2、燃燒要素（1）燃燒的三個條件 燃燒現(xiàn)象中，除自燃外，都需要用點火源引發(fā)燃燒。下面分別討論這三個條件及其影響因素： 1)燃料

5、 防火的一個重要內(nèi)容是考慮燃燒的物質(zhì)，即燃料本身。 液體的閃點是火險的標志。,2)氧和熱 雖然在某些不尋常的情況下，比如氯或磷，與物質(zhì)能夠產(chǎn)生燃燒狀的化學反應(yīng)，但是幾乎所有的燃燒都需要氧 。而且，反應(yīng)氣氛中氧的濃度越高，燃燒得就越迅速。 因此工業(yè)上通常需要處理的只是在常溫下暴露在空氣中就會起火的物料，把這些物料與空氣隔絕是可采取的必要的安全措施。,3)火源下面給出的是常見火源以及與

6、之有關(guān)的安全措施。,①明火 在易燃液體裝置附近，必須核查這一類火源。 如噴槍、火柴、電燈、焊槍、探照燈、手燈、手爐等，必須考慮裂解氣或油品管線成為火炬的可能性。,②電源 電源在這里指的是電力供應(yīng)和發(fā)電裝置，以及電加熱和電照明設(shè)施。 ③過熱 過熱是指超出所需熱量的溫度點。④熱表面 如果運行設(shè)備可能達到高過一引起材料自燃點的溫度，應(yīng)該仔細地監(jiān)視和維護，防止偶發(fā)的

7、過熱。,⑤自燃 許多火災(zāi)是由物質(zhì)的自燃引起的。⑥火花 火花是起火的潛在因素 ，應(yīng)該盡可能地應(yīng)用防火花或無火花的器具和材料⑦靜電 在碾壓、印刷等工業(yè)操作中，常由于摩擦而在物質(zhì)表面產(chǎn)生電荷即所謂靜電。橡膠和造紙工業(yè)中的許多火災(zāi)大都是以這種方式引發(fā)的。,⑧摩擦許多起火是由機械摩擦引發(fā)的。2、燃燒條件 燃燒必須具備三個基本條件或稱三要素：(1)有可燃物存在 可以是固態(tài)的或是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。

8、,(2)有助燃物存在 即有氧化劑存在，常見的氧化劑有空氣(其中的氧)、純氧或其他具有氧化性的物質(zhì)(3)有能導(dǎo)致著火的能源 如高溫灼熱體、撞擊或摩擦所產(chǎn)生的熱量或火花、電氣火花、靜電火花、明火、化學反應(yīng)熱、絕熱壓縮產(chǎn)生的熱能等。,上述三點是燃燒的必要條件，猶如三角形的三條邊，缺少任一條邊，就不能組成三角形。同理，缺少上述三條中的任一條，也就不能導(dǎo)致燃燒，所以人們也稱燃燒的三個必要條件為燃燒三角形。,有時雖然已具備了這

9、三個條件，燃燒也不一定發(fā)生。這是因為燃燒還必須有充分的條件。 可燃物與助燃物要達到一定的比例，才能引起燃燒。 近代燃燒理論用連鎖反應(yīng)來解釋物質(zhì)燃燒的本質(zhì)，認為燃燒是一種自由基的連鎖反應(yīng)，并由此提出了燃燒四面體學說。,燃燒四面體學說指出，燃燒除了具備上述三條要素外，還必須使連鎖反應(yīng)不受抑制，即自由基反應(yīng)能繼續(xù)下去，這是燃燒的第四個要素，并由此而奠定了某些滅火技術(shù)的理論基礎(chǔ)。,結(jié) 論,必要條件—三要素:

10、 有可燃物存在； 有助燃物存在； 又存在導(dǎo)致燃燒的能源。充分條件： 定比例、氧的充分供應(yīng)、點火源強度,燃燒要素: 燃料——液體的閃點是火險的標志；氧和熱——一般氧是必要條件之一，熱是燃燒伴生的一個重要結(jié)果；火源——明火、電源、過熱、熱表面、自燃、火花、靜電、摩擦。,二、燃燒形式、類別、類型及其特征參數(shù),1、燃燒形式（1）均相燃燒和非均相燃燒 均相燃燒是指可燃物與助燃物間的燃

11、燒反應(yīng)在同一相中進行。非均相燃燒則與均相燃燒相反（2）混合燃燒和擴散燃燒,混合燃燒—可燃氣體預(yù)先與空氣或氧氣混合的燃燒 特點:速度快、溫度高 混合氣體爆炸屬這類燃燒。 擴散燃燒—可燃氣體分子與空氣中的氧分子通過互相擴散,邊混合邊燃燒 特點：由管道或其他儲藏物中放出并點燃。,氣體燃燒:最易發(fā)生—兩類—混合燃燒和擴散燃燒。（3）蒸發(fā)燃燒、分解燃燒和表面燃燒 蒸發(fā)燃燒

12、：可燃液體蒸發(fā)出的可燃蒸氣的燃燒 特點：通常液體本身不燃燒，而是蒸發(fā)出的蒸氣發(fā)生燃燒。,分解燃燒：固體或不揮發(fā)性液體經(jīng)熱分解后產(chǎn)生可燃氣體的燃燒。 表面燃燒：當可燃固體燃燒至分解不出可燃氣體時便沒有火焰，燃燒繼續(xù)在所剩表面進行，稱為表面燃燒。 液體燃燒:通常為蒸發(fā)燃燒—在熱源作用下液體蒸發(fā)成蒸汽,然后與氧發(fā)生反應(yīng)直到著火燃燒。,固體燃燒：可分為火焰型燃燒和表面燃燒兩大類。 木材燃燒

13、是分解燃燒和表面燃燒交替進行。 可燃固體和液體的蒸發(fā)燃燒和分解燃燒，均有火焰產(chǎn)生，屬火焰型燃燒。 蒸發(fā)燃燒—固體液化，蒸發(fā)成氣體而燃燒。 分解燃燒—固體受熱分解，然后蒸發(fā)，再氧化燃燒。,金屬燃燒屬表面燃燒。 如鋁、鎂燃燒是表面燃燒 特點：無氣化過程，無需吸收蒸發(fā)熱，燃燒溫度較高。 燃燒時的特點：溫度變化復(fù)雜—分自燃點、誘導(dǎo)期（著火延滯期） —自燃點是隨著火延滯時

14、間而變化的參數(shù)。,2、燃燒類別 依據(jù)可燃物質(zhì)的性質(zhì)，一般可劃分為四個基本類別，而每一類別還包含著不同類型的燃燒。（1）A類燃燒 如木材、纖維織品、紙張等普通可燃物質(zhì)的燃燒。（2）B類燃燒,易燃石油制品或其他易燃液體、油脂等的燃燒 注意：工業(yè)中易燃氣體不屬于任何燃燒類別，但應(yīng)作B類物質(zhì)處理。（3）C類燃燒 供電設(shè)備的燃燒（4）D類燃燒 可燃金屬的燃燒,3、燃燒特

15、征參數(shù) 如果按照燃燒起因，燃燒可分為閃燃、點燃和自燃三種類型。 閃點、著火點和自燃點分別是上述三種燃燒類型的特征參數(shù)。 （1）閃燃和閃點 可燃液體表面的蒸氣與空氣形成的混合氣體與火源接近時會發(fā)生瞬間燃燒，出現(xiàn)瞬間火苗或閃光。這種現(xiàn)象稱為閃燃。,閃燃的最低溫度稱為閃點。 閃點這

16、個概念主要適用于可燃液體。(2) 點燃和著火點 可燃物質(zhì)在空氣充足的條件下，達到一定溫度與火源接觸即行著火，移去火源后仍能持續(xù)燃燒達5min以上，這種現(xiàn)象稱為點燃。 點燃的最低溫度稱為著火點。,注意:易燃液體的閃點和著火點相差不大，可燃液體則相差較大。 閃點雖然由液體定義,但對某些在室溫或與略高于室溫下能揮發(fā)或升華的固體,其蒸汽在空氣中的濃度達到閃燃的濃度也稱為閃點。

17、特點:閃點隨濃度變化而變化。,互溶的二元可燃混合液體的閃點一般介于兩液體閃點之間、閃點與組分不一定呈線性關(guān)系。影響閃點的主要因素： 點火源距離、 加熱速率、 試樣的均勻程度、純度、 測試容器、 大氣壓力等。,(3) 自燃和自燃點

18、 定義:可燃物在無外界火源的條件下，物質(zhì)自行引發(fā)的燃燒稱為自燃。 自燃的最低溫度稱為自燃點。1)受熱自燃 受熱自燃:在外界熱源作用下,由于傳熱使可燃物溫度升高達到自燃點而著火燃燒。 條件:要有外部熱源、要有熱量積蓄。,2)自熱自燃：無外界熱源時,因自身內(nèi)部物理、化學或生化過程產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致溫升達到自燃點而著火燃燒現(xiàn)象。 三個條件: 必須是易產(chǎn)生反應(yīng)熱的物質(zhì)

19、 該類物質(zhì)要具有較大比表面積或呈多孔隙狀 熱量產(chǎn)生速度大于向環(huán)境散發(fā)速度,類型： 由氧化熱積蓄引起的 由分解發(fā)熱引起的 由聚合熱、發(fā)酵熱引起的 由化學品混合接觸引起的③影響自燃的因素熱量生成速率是影響自燃的重要因素 熱量積累是影響燃的另一重要因素,④自燃點溫度量值 壓力、組成和催化劑性能對可燃物質(zhì)自燃點的溫度量值都有很大影響。有機化合物的自燃點呈現(xiàn)下述規(guī)律

20、性： 同系物中自燃點隨其相對分子質(zhì)量的增加而降低； 直鏈結(jié)構(gòu)的自燃點低于其異構(gòu)物的自燃點；,飽和鏈烴比相應(yīng)的不飽和鏈烴的自燃點為高； 芳香族低碳烴的自燃點高于同類碳數(shù)脂肪烴的自燃點； 較低級脂肪酸、酮的自燃點較高； 較低級醇類和醋酸酯類的自燃點較低；,可燃性固體粉碎得越細、粒度越小，其自燃點越低。固體受熱分解，產(chǎn)生的氣體量越大，自燃點越低。對于有些固體

21、物質(zhì)，受熱時間較長，自燃點也較低。,三、燃燒過程和燃燒理論,1、燃燒過程 各種物質(zhì)的燃燒過程如圖3-1所示。從中可知，任何可燃物質(zhì)的燃燒都經(jīng)歷氧化分解、著火、燃燒等階段。 物質(zhì)燃燒過程的溫度變化如圖3-2所示。,T初為可燃燒物質(zhì)開始加熱的溫度。 初始階段，加熱的大部分熱量用于可燃物質(zhì)的熔化或分解，溫度上升比較緩慢； 達到T氧，可燃物質(zhì)開始氧化； 由于溫度較低，氧化速度

22、不快，氧化產(chǎn)生的熱量尚不足以抵消向外界的散熱，此時若停止加熱，尚不會引起燃燒。,如繼續(xù)加熱，溫度上升很快，達到T自，即使停止加熱，溫度仍自行升高，達到T自’就著火燃燒起來。 T自是理論上的自燃點 T自’是開始出現(xiàn)火焰的溫度，為實際測量得的自燃點。 T燃為物質(zhì)的燃燒溫度 T自到T自’間時間間隔稱為燃燒誘導(dǎo)期，在安全上有一定實際意義。,2、燃燒理論(1)燃燒的活化能理論 燃燒是化學反應(yīng)，而分子間發(fā)生化

23、學反應(yīng)的必要條件是互相碰撞。 活化分子:并不是所有碰撞的分子都能發(fā)生化學反應(yīng)，只有少數(shù)具有一定能量的分子互相碰撞才會發(fā)生反應(yīng)。這少數(shù)分子稱為活化分子。,活化分子的能量要比分子平均能量超出一定值，這超出分子平均能量的定值稱為活化能。 活化分子碰撞發(fā)生化學反應(yīng)，故稱為有效碰撞。(2)燃燒的過氧化物理論 在燃燒反應(yīng)中，氧首先在熱能作用下被活化而形成過氧鍵—O—O—，可燃物質(zhì)與過氧鍵加和成為過氧化物。,過氧

24、化物是強氧化劑，不僅能氧化可形成過氧化物的物質(zhì)，也能氧化其他較難氧化的物質(zhì) 如氫和氧的燃燒反應(yīng)，首先生成過氧化氫，而后過氧化氫與氫反應(yīng)生成水。其反應(yīng)過程如下： H2 + O2→ H2O2 H2O2 + H2 → 2H2O,(3)燃燒的連鎖反應(yīng)理論 在燃燒反應(yīng)中，氣體分子間相互作用，往往不是兩個分子直接反應(yīng)生成最后產(chǎn)

25、物，而是活性分子自由基與分子間的作用?；钚苑肿幼杂苫c另一個分子作用產(chǎn)生新的自由基，新自由基又迅速參加反應(yīng)，如此延續(xù)下去形成一系列連鎖反應(yīng)。,連鎖反應(yīng)通常分為直鏈反應(yīng)和支鏈反應(yīng)兩種類型。 ①直鏈反應(yīng)的特點 直鏈反應(yīng)的特點是:自由基與價飽和的分子反應(yīng)時活化能很低，反應(yīng)后僅生成一個新的自由基。,氯和氫的反應(yīng)是典型的直鏈反應(yīng)。在氯和氫的反應(yīng)中，只要引入一個光子，便能生成上萬個氯化氫分子，這正是由于連鎖反應(yīng)的結(jié)果。 氯和

26、氫的反應(yīng)過程包括： 鏈的引發(fā)、鏈的傳遞,②支鏈反應(yīng)的特點 氫和氧的反應(yīng)是典型的支鏈反應(yīng) 支鏈反應(yīng)的特點是，一個自由基能生成一個以上的自由基活性中心。 任何鏈反應(yīng)均由三個階段構(gòu)成： 鏈的引發(fā)； 鏈的傳遞（包括支化）； 鏈的終止；,鏈的引發(fā)需有外來能源激發(fā)，使分子

27、鍵破壞生成第一個自由基，鏈的傳遞(包括支化)是自由基與分子反應(yīng)，鏈的終止為導(dǎo)致自由基消失的反應(yīng)。3）連鎖反應(yīng)速度表達式 連鎖反應(yīng)的速度與反應(yīng)物濃度、能量、傳播速度、鏈的生成和銷毀速度等有關(guān)。,在鏈反應(yīng)中，反應(yīng)系統(tǒng)所處的條件，包括溫度、壓力、雜質(zhì)、容器材質(zhì)、形狀和大小等都影響反應(yīng)速度。3、燃燒的特征參數(shù)與安全評價(1)燃燒溫度 可燃物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的熱量在火焰燃燒區(qū)域釋放出來，火焰溫度即是燃燒溫度。,

28、(2)燃燒速度 燃燒速度本質(zhì)由可燃物與氧發(fā)生反應(yīng)的能力所決定。1）可燃氣體燃燒速度（表3-3） 特點:隨其結(jié)構(gòu)和組成不同而異。 簡單構(gòu)成的可燃氣體較復(fù)雜可燃氣體燃燒速度快，混合燃燒速度較擴散燃燒速度快。,衡量方法:用火焰?zhèn)鞑ニ俣群饬俊?影響因素: 混合氣性質(zhì)； 成分； 原始壓力和溫度等。2)可燃液體的燃燒速度 表示方法:

29、質(zhì)量速率和直線速率,影響因素: 初溫； 儲罐直徑； 液體熱容； 蒸發(fā)潛熱； 火焰輻射強度； 液面高度和水分含量等。,3）可燃固體的燃燒速度 固體燃燒速度，一般要小于可燃液體和可燃氣體。不同固體物質(zhì)燃燒速率有很大差異。 (3)燃燒熱 物質(zhì)的燃燒熱數(shù)據(jù)一般是用量熱儀在常壓下測得的。(4) 氧指數(shù) 氧指數(shù)又叫臨界氧濃度(CO