盐城爆炸——苯的爆炸力初探
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。
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。
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。
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。
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。
3.2 1mol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。
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。
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。
球壳应力分析
其应力计算如下：
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。