了得網工業技術_氣體和粉塵爆炸防治工程學(畢明樹)（第2版）

內容簡介

本書主要介紹氣體和粉塵爆炸防治方面的基本知識與*研究成果。全書分緒論、基本概念、可燃氣體與蒸氣的爆炸極限、密閉空間內可燃氣體的爆炸強度、開敞空間可燃氣雲的爆炸強度、粉塵的爆炸強度、爆炸災害的防護與控制原理及應用、密閉空間內爆炸的安全洩放原理與應用、可燃氣體和粉塵燃燒爆炸過程的數值計算等9章，另有附錄。每章開頭有內容提要和基本要求，結尾有小結，還配備了思考題或習題。本書仍保持了第1版的特色和體繫，注重對基本概念和基本參數或方程的理解和運用，強化對學生分析和解決工程實際問題的能力的培養，增強科學性、啟發性和教學適用性，激發學生的科技創新興趣。本書可作為安全工程專業教材，也可供從事氣體和粉塵爆炸防治理論與技術方面研究的學者或工程技術人員參考。

作者簡介

畢明樹，大連理工大學，校長助理兼組織部部長，教授。 1979年考入大連理工大學，先後攻讀本科和研究生學歷，並獲得學士、碩士和博士學位。曾在日本Hirosaki University從事合作研究，在美國University of Illinois at Urbana-Champaign做訪問教授。現任大連理工大學教授，博士生指導教師。中國化工裝備協會理事，中國機械學會壓力容器學會理事，全國標準化技術委員會委員，中國機械工程學會高級會員，中國機械工程學會壓力容器分會理事。受聘全國百篇優秀博士學位論文評審專家、863項目評審專家、大連市兩灣一島安全評價專家。擔任化工學報、石油學報、華南理工大學學報、自然科學進展、東北大學學報、北京化工大學學報、中北大學學報、環境工程學報、石油化工高等學校學報、石油化工大學學報等審稿人。長期從事化工過程機械、安全技術及工程、工程熱物理相互交叉方面的教學和研究工作，研究領域包括工業介質爆燃災害防治理論與技術、燃燒科學與技術、化工裝備的結構與力學分析理論與應用、過程裝備節能技術等。研究成果已被國家標準采用。先後完成國家自然科學基金 3 項，*科學技術重點項目基金1項，*博士點基金3 項，遼寧省自然科學基金 2 項，遼寧省高校重點實驗室基金1項，獲得國家專利10項,發表研究論文 100餘篇，其中被SCI、EI收錄40餘篇，制定國家標準1部。獲得國家級科技進步獎1項、省部科技進步獎2項。長期工作在教學第一線。作為課程負責人，《過程機械與實驗》榮獲國家級精品課程。作為第一主編，《工程熱力學》榮獲國家級“十一五”規劃教材。作為骨干成員，《化工設備機械基礎》課程榮獲國家級精品課程；過程裝備與控制工程專業繫列課程教學團隊榮獲國家級和遼寧省教學團隊；過程裝備與控制工程專業榮獲國家級特色專業和遼寧省示範專業。2010年獲得遼寧省教學名師獎，2011年獲得寶鋼教育基金優秀教師獎。

0緒論1

0.1工業生產與安全1

0.2工業生產中的爆炸事故1

0.3生產中爆炸形式的分類3

0.3.1可燃氣體和可燃液體蒸氣的爆炸3

0.3.2可燃固體粉塵與空氣混合物的爆炸4

0.3.3化學反應失控而引起的工藝設備爆炸4

0緒論1

0.1工業生產與安全1

0.2工業生產中的爆炸事故1

0.3生產中爆炸形式的分類3

0.3.1可燃氣體和可燃液體蒸氣的爆炸3

0.3.2可燃固體粉塵與空氣混合物的爆炸4

0.3.3化學反應失控而引起的工藝設備爆炸4

0.4爆炸災害防治對策4

0.5本書的主要內容6

思考題6

1基本概念7

1.1燃燒的基本概念7

1.1.1燃燒7

1.1.2閃燃與閃點7

1.1.3自燃與自燃點7

1.2爆炸的基本概念8

1.3爆炸發生的基本條件8

1.3.1可燃氣體發生爆炸的條件8

1.3.2粉塵發生爆炸的條件9

1.4爆炸的基本特性11

1.4.1凝聚相含能材料的爆炸11

1.4.2密閉空間可燃氣體或粉體爆炸12

1.4.3開敞空間可燃氣體或粉體爆炸12

1.4.4沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE爆炸)14

1.4.5化學反應失控15

1.4.6物理蒸氣爆炸15

1.5爆炸參數15

1.5.1火焰速度和燃燒速度16

1.5.2理論火焰溫度16

1.5.3爆炸強度17

1.5.4試驗安全間隙18

1.6爆炸波破壞準則18

1.6.1爆炸波的結構和破壞機理19

1.6.2爆炸波破壞準則20

小結22

思考題23

習題23

2可燃氣體與蒸氣的爆炸極限25

2.1爆炸極限理論25

2.2爆炸極限的影響因素27

2.2.1可燃氣體或蒸氣的種類及化學性質的影響27

2.2.2混合均勻程度的影響28

2.2.3溫度的影響28

2.2.4初始壓力的影響28

2.2.5惰性介質或雜質的影響29

2.2.6實驗管徑和材質的影響30

2.2.7點火能量的影響30

2.3爆炸反應方程分析31

2.3.1化學計量濃度31

2.3.2完全與不完全燃燒32

2.3.3危險濃度33

2.4爆炸極限的計算33

2.4.1單一燃料在空氣中的爆炸極限的估算33

2.4.2多種可燃氣體混合物在空氣中的爆炸極限的估算34

2.4.3可燃氣體與惰性氣體混合物的爆炸極限的估算35

2.4.4可燃氣體在氧氣中的爆炸極限39

2.4.5可燃氣體在其他氧化劑中的爆炸極限39

2.5含氧量安全限值40

2.6其他助燃氣體41

小結41

思考題42

習題42

3密閉空間內可燃氣體的爆炸強度44

3.1火焰傳播44

3.2爆炸過程的解析解法45

3.2.1質量速率方程45

3.2.2壓力上升速率和火焰速度方程46

3.3方法50

3.4爆炸強度的測試56

3.5影響爆炸強度的因素57

3.5.1可燃氣體活性57

3.5.2可燃氣體的濃度58

3.5.3點火能量和位置58

3.5.4容器形狀和容器59

3.5.5初始壓力60

3.5.6初始溫度60

3.5.7湍流狀態60

小結61

思考題61

習題61

4開敞空間可燃氣雲的爆炸強度63

4.1影響可燃氣雲爆炸強度的因素63

4.1.1可燃氣雲特性的影響63

4.1.2周圍環境對爆炸的影響64

4.1.3天氣情況的影響65

4.1.4點火能量、點火位置的影響65

4.2氣雲爆炸強度的研究和預測方法65

4.2.1實驗方法66

4.2.2經驗與理論研究方法68

小結73

思考題74

5粉塵的爆炸強度75

5.1粉塵爆炸的特點75

5.1.1粉塵的概念75

5.1.2粉塵爆炸發生的條件76

5.1.3粉塵爆炸的特點77

5.2粉塵爆炸參數的確定78

5.2.1粉塵雲濃度的測試79

5.2.2爆炸下限（LEC）的測試81

5.2.3爆炸強度的測試82

5.2.4小點火能（MIE）的測試84

5.2.5粉塵著火溫度（MIT）的測試85

5.3粉塵爆炸的影響因素87

5.3.1粉塵粒度87

5.3.2粉塵性質和濃度87

5.3.3氧化劑濃度87

5.3.4點火能量88

5.3.5含雜混合物的影響89

5.3.6爆炸空間形狀和尺寸89

5.3.7初始壓力的影響90

5.3.8湍流度的影響90

小結91

思考題92

6爆炸災害的防護與控制原理及應用93

6.1可燃物質濃度控制93

6.1.1操作參數控制94

6.1.2防止洩漏94

6.1.3除塵95

6.2氧化劑濃度控制95

6.2.1遇水發生燃燒爆炸的物質96

6.2.2混合危險性物質98

6.3惰化技術99

6.4點火源控制100

6.4.1防止明火100

6.4.2防止靜電101

6.4.3防止自燃102

6.4.4防雷103

6.5爆炸抑制技術104

6.5.1爆炸抑制技術的有效性和局限性104

6.5.2爆炸探測器的工作原理105

6.5.3爆炸信號控制器的工作原理107

6.5.4爆炸抑制器的工作原理107

6.6爆炸阻隔技術110

6.6.1阻火器110

6.6.2主動式隔爆裝置113

6.6.3被動式隔爆裝置115

小結116

思考題118

7密閉空間內爆炸的安全洩放原理與應用119

7.1洩放過程理論分析119

7.1.1洩放能力的計算119

7.1.2洩放面積的理論計算121

7.2洩放面積工程設計121

7.2.1比例法121

7.2.2高強度包圍體洩壓設計圖算法122

7.2.3低強度包圍體的洩壓設計130

7.2.4經驗公式法130

7.2.5洩放管的影響132

7.3洩放過程的其他危害132

7.3.1火焰擴展133

7.3.2壓力擴展133

7.3.3反坐力133

7.4洩放裝置的設置與選型133

7.4.1洩放裝置的設置原則133

7.4.2洩放裝置的選型134

小結141

思考題142

習題143

8可燃氣體和粉塵燃燒爆炸過程的數值計算144

8.1數值模擬方法介紹144

8.2可燃氣體燃燒數值模擬145

8.2.1層流預混火焰模型145

8.2.2層流擴散火焰模型146

8.2.3湍流火焰模型147

8.2.4化學反應模型149

8.3煤粉燃燒數值模擬150

8.3.1氣相模型151

8.3.2顆粒相模型151

8.3.3燃燒模型152

8.3.4傳熱模型154

8.4模擬案例155

8.4.1甲烷-空氣預混氣體爆炸155

8.4.2煤塵-甲烷預混氣體爆炸模擬160

小結161

思考題162

附錄163

附錄1常見液體的閃點163

附錄2常見物質的自燃點165

附錄3幾種典型場合的點火能量166

附錄4部分氣體點火能量166

附錄5常見粉塵的小點火能量166

附錄6常見介質的基本燃燒速度167

附錄7部分可燃性氣體或蒸氣的試驗安全間隙值167

附錄8常見可燃介質的燃燒熱和爆炸極限168

附錄9可燃氣體或蒸氣極限氧含量(以N2或CO2稀釋)169

附錄10懸浮可燃粉塵極限氧含量(以N2或CO2稀釋)170

附錄11懸浮可燃粉塵極限氧含量(以N2稀釋)171

附錄12典型助燃氣體氟、氯、氧、氧化亞氮的性質173

附錄13部分與水等發生爆炸反應物質的性質173

附錄14部分遇到空氣即自燃的物質的性質174

附錄15常用物質的電阻率175

附錄16常見物質介電常數表176

參考文獻177

前言

前言本書第1版自出版以來受到了有關教師和學生的好評，獲批 “十二五”普通高等教育本科規劃教材，榮獲了中國石油和化學工業優秀出版物二等獎。在總結近年來教學研究與科研成果並收集本書使用者意見和建議的基礎上，編者提出了本次教材修訂方案。根據氣體和粉塵爆炸相關研究進展，本次修訂增加了“可燃氣體和粉塵燃燒爆炸過程的數值計算”一章，主要介紹數值模擬方法、可燃氣體燃燒數值模型、煤粉燃燒數值模型、模擬案例等。通過這章的學習，可以基本掌握氣體和粉塵爆炸過程的一般方法。本次還對“粉塵爆炸的強度”一章進行了大量修改，刪除了如今很少使用的Hartmann測試裝置，對目前的測試方法進行了更詳細的介紹。全書共分9章。緒論，概要介紹背景知識、事故劃分及防治對策等；第1章基本概念，主要介紹燃燒與爆炸的基本概念，討論爆炸發生的條件，分析各類爆炸的基本特性及其影響因素；第2章可燃氣體與蒸氣的爆炸極限，重點介紹爆炸極限相關概念及計算方法，分析影響爆炸極限的主要因素；第3章密閉空間內可燃氣體的爆炸強度，主要介紹等溫爆炸模型、絕熱爆炸模型、計算方法和實驗測試方法，闡述影響爆炸強度的因素和規律；第4章開敞空間可燃氣雲的爆炸強度，介紹影響氣雲爆炸強度的主要因素、預測方法、實驗方法等；第5章粉塵的爆炸強度，介紹粉塵爆炸的特點、粉塵爆炸發生條件、影響粉塵爆炸極限和爆炸強度的因素以及粉塵爆炸參數的測試方法等；第6章爆炸災害的防護與控制原理及應用，主要闡述爆炸災害的防護與控制原理，介紹一些典型的抑爆和隔爆原理、方法與技術；第7章密閉空間內爆炸的安全洩放原理與應用，主要介紹安全洩放技術的基本概念和基本原理，給出洩放面積的設計方法，分析了安全閥、爆破片、防爆門（閥）的基本特點和選型依據；第8章可燃氣體和粉塵燃燒爆炸過程的數值計算，主要介紹數值模擬的一般方法、可燃氣體燃燒與爆炸數值模型、煤粉燃燒與爆炸數值模型、模擬案例等。另有附錄。每章開頭有內容提要和基本要求，結尾有小結，還配備了思考題或習題。本書引用了很多文獻資料中介紹的研究成果，已盡力在參考文獻中列出，在此對各位作者表示誠摯的謝意。本書仍保持了第1版的特色和體繫，注重對基本概念和基本參數或方程的理解和運用，強化對學生分析和解決工程實際問題的能力的培養，增強科學性、啟發性和教學適用性，激發學生的科技創新興趣。本書由大連理工大學畢明樹教授、東北大學李剛教授、武漢理工大學陳先鋒教授和大連海事大學楊國剛教授編寫。緒論、第1、第2、第6、第7章由畢明樹執筆編寫，第5章由李剛編寫，第8章由陳先鋒編寫，第3、第4章由畢明樹和楊國剛共同執筆編寫。鋻於作者水平有限，因此本書在材料的選取與把握，內容的安排，語言的敘述等方面，均會存在這樣那樣的不足，衷心希望讀者批評指正。編者2017年1月第1版前言近年來，我國工業一直保持著快速、穩定地增長，為國民經濟的發展和人民生活水平的提高做出了很大貢獻。與此同時，工業企業各類事故，尤其是危害較大的工業介質爆炸事故，雖然采取種種預防措施，但還是時有發生。工業生產安全問題已成為全社會關注的熱點。所謂可燃介質爆炸，是導致壓力快速上升的現像，是一種極其迅速的物理或化學能量的釋放過程。在此過程中，物繫的體積在極短時間內急劇膨脹而對外界做功，致使周圍氣壓急劇增大並會造成人員傷亡和財產損失。爆炸一直是學術界關注的課題。這方面的研究工作可分為兩方面。一方面用於軍事領域，主要研究凝聚相炸藥和燃料-空氣炸藥(fuel-air explosive，簡稱FAE)的爆炸威力，開發先進武器。另一方面用於工業防爆，主要研究可燃氣體和粉塵的爆炸威力，以便有針對性地提出防爆措施。可引起爆炸事故的工業介質主要是可燃氣體或易蒸發的可燃液體，以及可燃粉塵等。國內很多院校都設立了安全工程本科專業，迫切需要能繫統介紹工業介質爆炸相關知識的教材，讓學生掌握工業介質爆炸的相關基礎知識、氣體與粉塵爆炸的特點、氣體與粉塵爆炸的研究方法及進展、目前通常采用的防爆、抑爆措施等。本書就是在此背景下組織編寫的。氣體與粉塵爆炸是非常復雜的物理、化學過程。經過幾十年的發展，雖然人們對爆炸的發生、發展規律有一定的了解，但也有很多復雜問題沒有解決，例如化學反應動力學問題、燃燒模型問題、湍流模型問題等。即使是現有的研究方法，也是處於不斷發展之中的。本書主要介紹氣體和粉塵爆炸防治方面的基本知識與研究成果。全書分緒論、基本概念、可燃氣體與蒸氣的爆炸極限、密閉空間內可燃氣體的爆炸強度、開敞空間可燃氣雲的爆炸強度、粉塵的爆炸強度、爆炸災害的防護與控制原理及應用、密閉空間內爆炸的安全洩放原理與應用8章，另有附錄。每章開頭有內容提要和基本要求，結尾有小結，還配備了思考題或習題。本書引用了很多文獻資料中介紹的研究成果，已盡力在參考文獻中列出，在此對各位作者表示誠摯的謝意。本書由大連理工大學畢明樹教授和大連海事大學楊國剛副教授編寫。緒論、第1、第2、第5～第7章由畢明樹執筆編寫，第3、第4章由畢明樹和楊國剛共同執筆編寫。鋻於作者水平有限，因此本書在材料的選取與把握，內容的安排，語言的敘述等方面，均會存在這樣那樣的問題，衷心希望讀者批評指正。編著者2012.3

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