苯爆炸极限范围是多少(苯的爆炸威力有多强)

摘要:盐城化工厂苯的爆炸牵动各方人心,目前已造成了无可挽回的巨大损失。本文从苯的物理性质开始,介绍爆炸的成因及其压力估算,尝试给出苯爆炸威力的一个衡量。从分析结果中,探讨降低爆炸损失,甚至防止爆炸。

关键词:苯、爆炸、力学,科学,盐城,响水天嘉宜,化工厂

1、引言

3月21日,盐城的一声巨响揪动全国人民的心。响水天嘉宜化工厂的大爆炸,已经导致了多人死亡和失踪,剧毒物质对周边环境也造成了不可弥补的影响。

苯爆炸极限范围是多少(苯的爆炸威力有多强)

盐城化工厂的爆炸

据新闻消息,发生爆炸的是厂内的一个生产装置,内含剧毒物质苯。苯是一种六边形的化合物,如下图。

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苯的结构

据说,自1825年麦可·法拉第发现发现苯开始,人们对其结构不是十分清楚。后来,弗里德里希·凯库勒在一次梦中梦到一条蛇头要尾巴,于是收到启发提出了六边形的构型。

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苯的环形结构提出者——弗里德里希·凯库勒

2、苯的性质

为了分析苯的爆炸威力,苯的一些物理性质必须要了解。通过查阅资料,苯的与爆炸有关的性质如下:苯的沸点为80.1℃,熔点为5.5℃。其最低爆炸极限为1.2%(空气体积百分比),最高爆炸极限为7.8%,闪点-11℃,最小点燃能量0.2mJ(4.7%),自然温度560℃。

所谓最低、最高爆炸极限是指物质在空气中的百分比。低于最低爆炸极限,说明物质含量少空气多,无法提供足够的燃料。高于最高爆炸极限,说明物质含量多空气少,无法提供足够的氧气。闪点指的是挥发的气体与氧气接触产生火花的最低温度。最小点燃能量是指点燃物质需要的能量,这个值与空气体积百分比有关。

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苯的燃烧化学式

苯与氧气发生化学反应,生成二氧化碳和水。1mol的苯,其焓值降低约3260.4KJ,全部转化为热量放出到环境中。

3、苯的爆炸

3.1 1mol苯发生爆炸容器的体积

根据苯的爆炸极限,当空气体积百分比介于1.2%到7.8%之间时,就会发生爆炸。这就说明爆炸发生的一个前提是苯处于一个密闭的容器中。实际上,绝大多数爆炸都是处于密闭的容器中。

因此,爆炸的威力除了苯燃烧放出的热量,还与容器的结构和材料有关。容器足够结实到可以承受爆炸的冲击波,那么就不会有那么大的爆炸危害。反之,容器碎片随爆炸冲击波四散发射,伤亡面积扩大。

假设在一个球形容器内,有1mol的苯发生了燃烧爆炸,放出了3260.4KJ的热量。热量的增加提高了容器内的温度,同时高温也汽化了苯、水等液体,从而大大提高了容器内的压强。

我们以空气体积分数4%为例,苯有1mol,则总体积约0.56m^3,则球形容器半径约为0.51m。

3.21mol苯发生爆炸的压强

实际的爆炸过程非常复杂,压强的精确值不太好计算。本文假设混合气体为理想气体,在容器没有发生破裂之前,气体作等容过程。

苯爆炸极限范围是多少(苯的爆炸威力有多强)

等容过程

假设初始为室温25℃,爆炸后容器内几乎还是空气,其比热容0.718kJ/(kg·K),体积0.56m^3的空气质量约0.724kg。爆炸放出的热量,全部被吸收后,温度变为6297℃。这是理想情况,实际热量无法全部被吸收,也来不及被全部吸收。以此来估算压强显然偏大了不少。

根据压缩气体爆破能量模型,有如下计算式,由此可计算处爆炸压强约1.6MPa。承受这个数值的容器,压力容器大概归为中低压容器。苯在常温下是液体,其容器属于低压容器。所以当发生爆炸的时候,产生的压强容易超出了容器的承受极限。

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压缩气体爆破能量模型

4、爆炸的防止——从力学的角度

一个显而易见的方法,增加容器的厚度,可以显著提升容器的承载能力。通常压力容器都作为一个薄壁处理,在内压的作用下,可以得到容器的应力,如下图。

苯爆炸极限范围是多少(苯的爆炸威力有多强)

球壳应力分析

其应力计算如下:

苯爆炸极限范围是多少(苯的爆炸威力有多强)

应力计算公式

其中,P是内压,D是内径,t是厚度。当内压一定时,厚度的增加,可以降低内部应力,从而避免容器的破裂,降低爆炸危害。

5、总结

本文从苯的物理性质开始,探讨了1mol苯发生爆炸的体积和压力,通过估算发现爆炸压力约1.6MPa,达到了中低压容器的分界线,对于低压容器极易发生破坏。通过增加容器壁厚的方法,可以显著的降低容器的内应力,从而避免容器的破裂,降低爆炸危害。

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