一、爆炸反應(yīng)歷程
可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵預(yù)先與空氣均勻混合并達(dá)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(huì)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(diǎn)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(jìn)行，直至全部爆炸性混合物反應(yīng)完為止。爆炸時(shí)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(diǎn)0.5—1m處僅為每秒若干米，但以后即逐漸加速，竟達(dá)每秒數(shù)百米以上。若在火焰擴(kuò)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(duì)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(zhǎng)期以來燃燒理論的觀點(diǎn)認(rèn)為：當(dāng)燃燒在某一定空間內(nèi)進(jìn)行時(shí)，如果散熱不良會(huì)使反應(yīng)溫度不斷提高，溫度的提高又會(huì)促使反應(yīng)速度加快，如此循環(huán)進(jìn)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(jiǎn)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(shí)，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(huì)爆炸，等等。因此，有些爆炸現(xiàn)象需要用化學(xué)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來說明，認(rèn)為爆炸的原因不是由于簡(jiǎn)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(diǎn)是在反應(yīng)中一個(gè)游離基(活性中心)能生成—個(gè)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(huì)分支，如圖2—3所示。在鏈增長(zhǎng)即反應(yīng)可以增值游離基的情況下，如果與之同時(shí)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(huì)增多，反應(yīng)鏈的數(shù)目也會(huì)增加，反應(yīng)速度也隨之加快，這樣又會(huì)增值更多的游離基，如此循環(huán)進(jìn)展，使反應(yīng)速度加快到爆炸的等級(jí)。
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(yùn)動(dòng)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(shí)反應(yīng)便可以加速并達(dá)到混合物自行著火的反應(yīng)速度，所以可認(rèn)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(shí)，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(shí)，就會(huì)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(jī)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(shí)也會(huì)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(shí)，例如在溫度500℃和壓力不超過200Pa時(shí)，由于游離基很容易擴(kuò)散到器壁上銷毀，此時(shí)連鎖中斷速度超過文鏈產(chǎn)生速度，因而反應(yīng)進(jìn)行較慢，混合物不會(huì)發(fā)生爆炸；當(dāng)溫度為500℃，壓力升高到200Pa和6666Pa之間時(shí)(如圖中的a和b點(diǎn)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(huì)發(fā)生爆炸；當(dāng)壓力繼續(xù)提高超過b點(diǎn)(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(huì)發(fā)生爆炸了。
圖中a和b點(diǎn)時(shí)的壓力，即200Pa和6666Pa是混合物在500℃時(shí)的爆炸低限和爆炸高限。隨著溫度增加，爆炸極限會(huì)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(duì)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(diǎn)(大于666610Pa)時(shí)，開始出現(xiàn)下列反應(yīng)：這兩個(gè)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(jìn)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(shí)具備下列三個(gè)條件才能發(fā)生，
1.存在著可燃物質(zhì)，包括可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵。
2.可燃物質(zhì)與空氣(或氧氣)混合并且達(dá)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(duì)于每一種可燃?xì)怏w(蒸氣)的爆炸性混合物，都有一個(gè)引起爆炸的zui小點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)火能量的單位通常以毫焦耳表示?？扇?xì)怏w和蒸氣在空氣中的zui小點(diǎn)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(shí)需要10分鐘，而1kg煤氣與空氣混合發(fā)生爆炸時(shí)，只需0.2秒，兩者的燃燒熱值都是2631kJ左右(1kg物質(zhì)燃燒時(shí)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(shí)間成反比的關(guān)系，可以計(jì)算出一塊含熱量2931kJ的煤塊燃燒時(shí)發(fā)出的功率為47807W，合同樣熱量的煤氣燃燒時(shí)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(shí)間的延續(xù)而加重，因此，—旦發(fā)生火災(zāi)，如能盡快地進(jìn)行撲救，即可減少損失.化學(xué)性爆炸實(shí)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(shí)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(chǎng)大火；而在某些情況下會(huì)是先火災(zāi)而后爆炸，例如抽空的油槽在著火時(shí)，可燃蒸氣不斷消耗，而又不能及時(shí)補(bǔ)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(jìn)入爆炸極限范圍時(shí)，則發(fā)生爆炸。又如危險(xiǎn)品庫的著火也會(huì)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(dá)到自燃點(diǎn)或著火點(diǎn)之后，并不立即發(fā)生自燃或著火，其間有段延滯的時(shí)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(diǎn)T0時(shí)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(shí)間，以T感表示。感應(yīng)期的這種現(xiàn)象可以在測(cè)定可燃物質(zhì)的自燃點(diǎn)時(shí)觀察到，將測(cè)定的容器加熱到某一物質(zhì)的自燃點(diǎn)，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(shí)間后才出現(xiàn)火焰。
可燃物質(zhì)與火源直接接觸而著火時(shí)，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(shí)間延滯。可燃混合物的爆炸實(shí)質(zhì)是瞬間的燃燒，因此，任何這類爆炸的發(fā)生也都有時(shí)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?yàn)橐够瘜W(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(shí)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(shí)間才能發(fā)生。
感應(yīng)期在安全問題上有著實(shí)際意義。例如煤礦中雖然有甲烷存在，但仍可用無煙進(jìn)行爆破，這就是利用甲烷的感應(yīng)期。因?yàn)榧淄榈母袘?yīng)期為8—9秒，而無煙的發(fā)火時(shí)間僅為2—3秒，故可保證安全。又如應(yīng)根據(jù)可燃?xì)怏w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(gè)基本條件的同時(shí)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(shí)質(zhì)，就是制止化學(xué)性爆炸三個(gè)基本條件的同時(shí)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(hù)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?dú)?、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(dòng)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(yán)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(cè)措施和報(bào)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
