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燃烧与爆炸的表观现象


实验室k / 2018-11-30

       支链反应以似稳定浓度法近似处理所得定态速率方程在一定条件下趋于无限或出现不合理的数值时,在该条件下非定态速率方程依时间变化的表现是反应速率迅速上升趋向无限,从实际的物理图象来说,这是燃烧与爆炸的条件。

       所谓燃烧即伴有发光和激烈放热的反应(通常为氧化反应)。其特征为常温常压下几乎不起反应,但如依各种方法从外部加以某一极限值以上的能量,则进行着火过程,出现激烈的反应带(气体的火焰),而成层状的并自动的往未反应部分传播。因此,发生燃烧反应包含能量的极限要求和物质传播的连续性要求这两个必要条件缺一不可。如果传播速度变大则伴有冲击的压力效应,当在封闭容器中进行时则常发生破坏作用而表现为爆炸反应,由此可见燃烧与爆炸其化学动力学实质相同,而其主要差异在于传质情况不同,当在冲击波作用下或由于火焰自行加速产生冲击波,由于很高的温度与压力出现所谓爆轰现象,此时产生冲击波伴随着燃烧波。其爆轰速度可达音速以上,从现象的特性和本质来说,爆轰与爆炸并无不同,只是在爆轰条件下其破坏作用更大而已。由于上述这些过程的动力学分析是一致的,我们一般将只讨论爆炸现象,有时也举若干燃烧的例子,但不去论述其差异。

       燃烧爆炸的条件和反应体系所处的状态(如温度与压力等)密切相关。例如:磷的氧化反应在达到严格一定的氧气压力时,明显地从完全没有反应到有闪燃的反应的激烈转变,这种现象可以通过实验精确地测定。例如磷的氧化反应曾利用流经毛细管法和压缩法进行了这种测定。前一方法系将氧气经毛细管流入装有磷的反应器中,反应器中氧压的变化如图102所示,箭头示出突然出现闪光的瞬间,以后亮光在继续通入氧气时一直保持,闪光前氧气在反应器中积累,得由原点上升直线,其斜率与毛细管直径、长度以及输入氧流压力有关。闪光后直线转向,输入氧气而反应器内氧压变化不大,表明输入之氧与磷反应生成固体P2O5,而若停止输入氧气反应停止而压力降至临界值与起燃的临界值相近(略低),而再输入微量氧仍可起燃,由此可测定起燃的临界压力。而后一方法(压缩法)系在反应器中先保持氧压力低于起燃的临界值,而后缓慢地压缩反应体系,至临界值的瞬间可出现闪燃,由此来测定临界值。

       燃烧爆炸的条件对于温度、压力和组成的关系是很密切的。如图103所示为2H2+O2的混合气在内径为74mm的表面上复盖一层氯化钾的容器中实验的结果,这是一典型的例子,在曲线右侧反应以爆炸方式进行(称为爆炸区),左侧缓和地进行(称为非爆炸区),此分界曲线即为爆炸极限,若考查恒温下反应速率r随压力p的变化,可得如图104所示意的结果,低压下反应缓和,当压力上升到p1与p2之间反应依爆炸方式进行,而再升到p2与p3之间反应又缓和地进行,直到压力大于p3以后反应才又按爆炸方式进行,而p1、p2与p3分别称为该温度下的第一、第二与第三极限或称为下限、上限与热极限,显然这些极限压力是温度的函数,其中第三极限(或称热极限)并非由于链分支过程的结果,之后再去讨论。

       若在恒压下考查此类反应速率对温度的依赖关系如之前文章提到的,低温下反应缓和进行,升温时逐渐加速,至某一定温度后突然按爆炸方式进行,若以反应速率的对数(㏑r)对温度的倒数(1/T)作图,如图105所示,考查此图,低温(1/T大)下基本满足Arrhenius公式,呈线性关系,高温时㏑r突然上升起爆,图106示出压力为600mmHg的2H2+O2混合气在不同量汞蒸气压力(pHg)存在下光敏化合反应的速率的对数与温度的倒数之间的关系,显然这与图105相符,可为例证。

       如前所述爆炸条件与体系的组成有关,对于三元系,常用等边三角形组成坐标图来讨论,如图107所示为不同温度和压力下丁烯-氧-氮混合气的此种图形。曲线示出指定温度和压力条件下爆炸极限对于这三种物质相对量的依赖关系,曲线1与2对比了同一温度下压力变化的影响,而曲线2至5则对比了同一压力下温度变化的影响,明显示出升温升压扩大了高氧压下爆炸的极限范围,而对低氧压下的影响不太明显。


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