纳米PMMA粉尘爆炸超压与火焰传播特性研究

本书应用开放式粉尘爆炸火焰传播实验系统及20 L爆炸装置测试系统，采用先进的测试手段，如PDPA、PIV、SEM、TGA-DSC、精细热电偶、纹影光学系统等，研究微纳米粉尘爆炸压力积聚及火焰传播的动力学过程，分析微纳米PMMA粉尘爆炸的超压特性及规律，揭示纳米粉尘爆炸火焰传播机理，为从本质上构筑微纳米粉尘爆炸的安全防控对策提供坚实的理论基础。

粉尘爆炸破坏性强、爆炸机理复杂，对众多涉及易燃粉体制备、使用和处理的行业构成严重威胁。近年来我国高度重视工贸行业粉尘爆炸防控工作，专项整治持续深化，取得了积极进展。然而，我国粉尘涉爆企业量大面广，企业的安全基础依然薄弱，粉尘爆炸风险还没有得到有效防控，近年来粉尘爆炸事故虽明显减少但仍时有发生。涉粉企业的安全形势仍不容乐观，粉尘爆炸的防控工作仍然任重而道远。特别是随着新兴纳米材料的广泛应用，纳米颗粒的安全生产与储运逐渐引起了人们的关注。相比于微米级粉尘，纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，使得纳米粉尘具有更高的潜在爆炸危险性。如何预防纳米粉尘爆炸事故的发生，降低纳米粉尘爆炸事故危害，保障人民生产生活安全，已成为亟待解决的问题。
充分理解纳米粉尘爆炸超压与火焰传播行为对于准确预测其爆炸后果、制定有效的防治措施至关重要。由于分子间的作用力不同，可燃纳米粉尘的分散特性及爆炸过程与微米级粉尘存在诸多不同，目前对于纳米粉尘爆炸发生发展本质规律的认知还显不足，特别是对于纳米粉尘爆炸火焰发展演化过程的微观现象及机理的研究相对比较缺乏。基于此，本书立足于研究纳米PMMA粉尘爆炸超压与火焰传播特性，基于微米/纳米PMMA粉尘分散/团聚特性分析及粉尘的热解氧化动力学分析，探究微米/纳米粉尘爆炸超压演化与火焰传播特性差异，分析热特性、粒径分布特性、分散特性、浓度分布及湍流强度特性对纳米粉尘爆炸火焰传播规律的影响，建立描述纳米粉尘爆炸火焰精细结构的物理模型，分析纳米粉尘爆炸热解/挥发及燃烧过程的控制机制，阐释纳米粉尘爆炸火焰传播动力学机理，揭示纳米粉尘爆炸火焰传播对爆炸超压的影响机制，为从本质上构筑预防与控制纳米粉尘爆炸的安全对策提供理论依据。
本书在撰写过程中，得到了李岳、张延松等老师及李键、黄兴旺、张公妍等硕博士研究生的大力支持，并引用了大连理工大学李键硕士的部分实验结果，以及国内外同行学者的相关研究成果，在此表示诚挚的感谢。同时，衷心感谢国家自然科学基金青年基金项目（51904170）、山东省自然科学基金博士基金项目（ZR2018BEE006）、山东科技大学人才引进科研启动基金项目（2017RCJJ007）的经费资助。
由于作者水平有限，书中难免有不妥和疏漏之处，有些问题尚需进一步商榷和深入研究，不当之处敬请广大读者予以批评指正。

著者
2020年7月

张新燕，山东科技大学，副教授，张新燕，女，博士，山东科技大学安全与环境工程学院安全工程系讲师。2017年毕业于大连理工大学化工过程机械专业，获工学博士学位。研究方向涵盖工矿气体/粉尘爆炸机理、传播规律与超压预测、抑爆及泄放特性，化工过程安全，化工过程设备设计，化工设备结构强度及可靠性分析等。目前主持国家自然科学基金1项，山东省自然科学基金1项，参与十三五国家重点研发计划课题1项、国家自然科学基金3项、山东省重点研发计划2项。近5年发表SCI检索论文14篇，EI检索论文4篇，国际学术会议论文6篇。

《纳米PMMA粉尘爆炸超压与火焰传播特性研究》立足于研究纳米PMMA粉尘爆炸超压与火焰传播特性，在对纳米粉尘爆炸研究进展及粉尘爆炸基础理论进行梳理与分析的基础上，基于微米/纳米PMMA粉尘分散/团聚特性分析及粉尘的热解氧化动力学分析，探究微米/纳米粉尘爆炸超压演化与火焰传播特性差异，分析热特性、粒径分布特性、分散特性、浓度分布及湍流强度特性对纳米粉尘爆炸火焰传播行为的影响，建立描述纳米粉尘爆炸火焰精细结构的物理模型，阐释纳米粉尘爆炸火焰传播动力学机理，揭示纳米粉尘爆炸火焰传播对爆炸超压的影响机制，为从本质上构筑预防与控制纳米粉尘爆炸的安全对策提供理论依据。
《纳米PMMA粉尘爆炸超压与火焰传播特性研究》可供从事粉尘爆炸相关领域工作的科研人员和工程技术人员参考使用。

第1章绪论1
1.1纳米粉尘爆炸研究背景1
1.2纳米粉尘爆炸研究进展3
参考文献9

第2章粉尘爆炸基本原理11
2.1粉尘爆炸基本条件11
2.2粉尘爆炸特性参数12
2.3粉尘爆炸的影响因素14
2.4粉尘爆炸机理14
2.5粉尘爆炸防护方法17
参考文献18

第3章微米/纳米PMMA粉尘分散/团聚特性分析20
3.1实验材料的选取20
3.2粉尘团聚凝结时间分析21
3.3粉尘粒径分布的测定装置23
3.4粉尘的粒径分布特性26
参考文献34

第4章微米/纳米PMMA粉尘的热解氧化动力学分析35
4.1粉尘热解氧化特性的测定35
4.2粉尘的热特性分析36
4.3粉尘的热解氧化动力学分析40
参考文献46

第5章微米/纳米PMMA粉尘爆炸超压特性47
5.1粉尘爆炸超压特性测试系统47
5.2不同浓度下微米/纳米PMMA粉尘爆炸压力时程对比54
5.3微米/纳米PMMA粉尘爆炸引发时间规律56
5.4微米/纳米PMMA粉尘爆炸强度特性参数57
参考文献61

第6章微米/纳米PMMA粉尘爆炸火焰传播特性差异62
6.1开放式粉尘爆炸火焰传播实验系统62
6.2火焰传播行为70
6.3火焰微观精细结构71
6.4火焰传播速度77
6.5火焰温度分布80
6.6火焰离子电流分布81
参考文献83

第7章粉尘云浓度及湍流特性对微米/纳米PMMA粉尘火焰传播行为的影响84
7.1粉尘云浓度的测量84
7.2粉尘云浓度对火焰传播特性的影响86
7.3粒子成像测速系统91
7.4粉尘云湍流特性对火焰传播行为的影响93
参考文献99

第8章粒子粒径分布对纳米PMMA粉尘爆炸火焰传播特性的影响101
8.1多分散混合粒径纳米粉尘云粒径分布101
8.2火焰传播行为及微观结构104
8.3火焰传播速度111
8.4火焰温度分布113
8.5团聚/结块粒子的燃烧114
参考文献115

第9章纳米PMMA粉尘爆炸火焰传播机理116
9.1热解/挥发及燃烧时间尺度分析116
9.2纳米粉尘云火焰传播机理物理模型的建立与分析123
9.3纳米PMMA粉尘爆炸火焰传播对爆炸超压的影响机制126
参考文献127