实验室化学安全基础：爆炸的基础知识和减压操作

2023-10-28 理论教育版权反馈

【摘要】：爆炸是物质在瞬间以机械功的形式释放出大量气体和能量的现象。上述所谓“瞬间”，就是说爆炸发生于极短的时间内。在化工生产，一旦发生爆炸，就会酿成工伤事故，造成人身和财产的巨大损失，使生产受到影响。在物理性爆炸的前后，爆炸物质的化学成分不改变。而且混合的比例不同，其爆炸的危险程度亦不同。因此，温度升高会使爆炸的危险性增大。因此，减压操作有利于减小爆炸的危险性。它是混合物爆炸危险性的一项重要参数。

爆炸是物质在瞬间以机械功的形式释放出大量气体和能量的现象。由于物质形态的急剧变化，爆炸发生时会使压力猛然增高并产生巨大的声响。其主要特征是压力的急剧升高。

上述所谓“瞬间”，就是说爆炸发生于极短的时间内。例如乙炔罐里的乙炔与氧气混合发生爆炸时，大约是在1/100秒内完成下列化学反应。

反应同时释放出大量热量和二氧化碳、水蒸气等气体，使罐内压力升高10～13倍，其爆炸威力可以使罐体升空20～30m。这种克服地心引力将重物举高一段距离，则是所说的机械功。

在化工生产，一旦发生爆炸，就会酿成工伤事故，造成人身和财产的巨大损失，使生产受到影响。

（一）爆炸的分类

1.按照爆炸能量来源的不同分类

（1）物理性爆炸。物理性爆炸是由物理因素（如温度、体积、压力等）变化而引起的爆炸现象。在物理性爆炸的前后，爆炸物质的化学成分不改变。

锅炉的爆炸就是典型的物理性爆炸，其原因是过热的水迅速蒸发出大量的蒸汽，使蒸汽压力不断提高，当压力超过锅炉的极限强度时，就会发生爆炸。又如氧气钢瓶受热升温，引起气体压力增高，当压力超过钢瓶的极限强度时即发生爆炸。发生物理性爆炸时，气体或蒸汽等介质潜藏的能量在瞬间释放出来，会造成巨大的破坏和伤害。

（2）化学性爆炸。化学性爆炸是使物质在短时间内完成化学反应，同时产生大量气体和能量而引起的爆炸现象。化学性爆炸前后，物质的性质和化学成分均发生了根本的变化。

例如用来制造炸药的硝化棉在爆炸时放出大量热量，同时生产大量气体（CO、CO2、H2和水蒸气等），爆炸时的体积竟会突然增大47万倍，燃烧在万分之一秒内完成，因而会对周围物体产生毁灭性的破坏作用。

2.按照爆炸的瞬时燃烧速度分类

（1）轻爆。物质爆炸时的燃烧速度为每秒数米，爆炸时无多大破坏力，声响也不大。如无烟火药在空气中的快速燃烧、可燃气体混合物在接近爆炸浓度上限或下限时的爆炸即属于此类。

（2）爆炸。物质爆炸时的燃烧速度为每秒十几米至数百米，爆炸时能在爆炸点引起压力激增，有较大的破坏力，有震耳的声响。可燃气体混合物在多数情况下的爆炸，以及被压火药遇火源引起的爆炸即属于此类。

（3）爆轰。物质爆炸时的燃烧速度为每秒1000～7000m。爆轰时的特点是突然引起极高压力，并产生超音速的“冲击波”。由于在极短时间内发生的燃烧产物急剧膨胀，像活塞一样挤压其周围气体，反应所产生的能量有一部分传给被压缩的气体层，于是形成的冲击波由它本身的能量所支持，迅速传播并能远离爆轰的发源地而独立存在，同时可引起该处的其他爆炸性气体混合物或炸药发生爆炸，从而发生一种“殉爆”现象。

（二）化学性爆炸物质

根据爆炸时所进行的化学反应，化学性爆炸物质可分为以下几种。

1.简单分解的爆炸物

这类物质在爆炸时分解为元素，并在分解过程中产生热量。属于这一类的物质有乙炔铜、乙炔银、碘化氮、叠氮铅等，这类容易分解的不稳定物质，其爆炸危险性是很大的，受摩擦、撞击，甚至轻微震动即可能发生爆炸。如乙炔银受摩擦或撞击时的分解爆炸：

2.复杂分解的爆炸物

这类物质包括各种含氧炸药，其危险性较简单分解的爆炸物稍低，含氧炸药在发生爆炸时伴有燃烧反应，燃烧所需要的氧由物质本身分解供给。如苦味酸、梯恩梯、硝化棉等都属于此类。

3.可燃性混合物

可燃性混合物是指由可燃物质与助燃物质组成的爆炸物质。所有可燃气体、蒸汽和可燃粉尘与空气（或氧气）组成的混合物均属此类。如一氧化碳和空气混合的爆炸反应：

这类爆炸实际上是在火源作用下的一种瞬间燃烧反应。

通常称可燃性混合物为有爆炸危险的物质，它们只是在适当的条件下，才会成为危险的物质。这些条件包括可燃物质的浓度、氧化剂浓度以及点火能量等。(www.chuimin.cn)

（三）爆炸极限

1.什么是爆炸极限

可燃气体、蒸气或粉尘与空气组成的混合物，并不是在任何浓度下都会发生燃烧或爆炸，而是必须在一定的浓度比例范围内才能发生燃烧和爆炸。而且混合的比例不同，其爆炸的危险程度亦不同。例如，由一氧化碳与空气构成的混合物在火源作用下的燃爆试验情况如下。

上述试验情况说明：可燃性混合物有一个发生燃烧和爆炸的含量范围，即有一个最低含量和最高含量。混合物中的可燃物只有在这两个含量之间，才会有燃爆危险。通常将最低含量称为爆炸下限，最高含量称为爆炸上限。混合物含量低于爆炸下限时，由于混合物含量不够及过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；混合物含量高于爆炸上限时，则由于氧气不足，使火焰不能蔓延。可燃性混合物的爆炸下限越低，爆炸极限范围越宽，其爆炸的危险性越大。

必须指出，含量在爆炸上限以上的混合物绝不能认为是安全的，因为一旦补充进空气就具有危险性了。

2.可燃气体、蒸气爆炸极限的影响因素

爆炸极限受许多因素的影响，给出的爆炸极限数值对应的条件是常温常压。当温度、压力及其他因素发生变化时，爆炸极限也会发生变化。

（1）温度。一般情况下，爆炸性混合物的原始温度越高，爆炸极限范围越大。因此，温度升高会使爆炸的危险性增大。

（2）压力。一般情况下，压力越高，爆炸极限范围越大，尤其是爆炸上限显著提高。因此，减压操作有利于减小爆炸的危险性。

（3）惰性介质及杂物。一般情况下，惰性介质的加入可以缩小爆炸极限范围，当其浓度高到一定数值时可使混合物不发生爆炸。杂物的存在对爆炸极限的影响较为复杂，如少量硫化氢的存在会降低水煤气在空气混合物中的燃点，使其更易爆炸。

（4）容器。容器直径越小，火焰在其中越难于蔓延，混合物的爆炸极限范围越小。当容器直径或火焰通道小到一定数值时，火焰不能蔓延，可消除爆炸危险，这个直径称为临界直径或最大灭火间距。如甲烷的临界直径为0.4～0.5mm，氢和乙炔为0.1～0.2mm。

（5）氧含量。混合物中氧含量增加，爆炸极限范围扩大，尤其是爆炸上限显著提高。

（6）点火源。点火源的能量、热表面的面积、点火源与混合物的作用时间等均对爆炸极限有影响。

各种爆炸性混合物都有一个最低引爆能量，即点火能量。它是混合物爆炸危险性的一项重要参数。爆炸性混合物的点火能量越小，其燃爆危险性就越大。

（四）粉尘爆炸

1.什么是粉尘爆炸

人们很早就发现某些粉尘具有发生爆炸的危险性。如煤矿里的煤尘爆炸，磨粉厂、谷仓里的粉尘爆炸，镁粉、碳化钙粉尘等与水接触后引起的自燃或爆炸等。

粉尘爆炸是粉尘粒子表面和氧作用的结果。当粉尘表面达到一定温度时，由于热分解或干馏作用，粉尘表面会释放出可燃性气体，这些气体与空气形成爆炸性混合物，而发生粉尘爆炸。因此，粉尘爆炸的实质是气体爆炸。使粉尘表面温度升高的原因主要是热辐射的作用。

2.粉尘爆炸的影响因素

（1）物理化学性质。燃烧热越大的粉尘越易引起爆炸，如煤尘、碳、硫等；氧化速度越大的粉尘越易引起爆炸，如煤、燃料等；越易带静电的粉尘越易引起爆炸；粉尘所含的挥发分越大越易引起爆炸，如当煤粉中的挥发分低于10%时不会发生爆炸。

（2）粉尘颗粒大小。粉尘的颗粒越小，其比表面积越大（比表面积是指单位质量或单位体积的粉尘所具有的总表面积），化学活性越强，燃点越低，粉尘的爆炸下限越小，爆炸的危险性越大。爆炸粉尘的粒径范围一般为0.1～100μm左右。

（3）粉尘的悬浮性。粉尘在空气中停留的时间越长，其爆炸的危险性越大。粉尘的悬浮性与粉尘的颗粒大小、粉尘的密度、粉尘的形状等因素有关。

（4）空气中粉尘的浓度。粉尘的浓度通常用单位体积中粉尘的质量来表示，其单位为mg/m3。空气中粉尘只有达到一定的浓度，才可能会发生爆炸。因此，粉尘爆炸也有一定的浓度范围，即有爆炸下限和爆炸上限。由于通常情况下，粉尘的浓度均低于爆炸浓度下限，因此粉尘的爆炸上限浓度很少使用。

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