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2015年7月6日 星期一

You think you understand dust explosion. But do you? (2) - How exactly does dust explosion occur?

話先說這前頭,在處理八仙塵爆這個事件上,這一篇一點都不重要,因為這篇要來講一講,到底什麼是粉塵爆炸,以及他是如何產生的。而如上篇所述,我認為防止悲劇是屬於公安做為,背後的科學反而沒那麼重要。

寫這篇,主要是要說明粉塵爆炸這個概念,到底有多不常識,還有為什麼判斷當下會不會發生爆炸,已經遠超出普通教育可以處理的範圍。真的要仔細研究這個主題,可以寫一本書了,所以這裡我只針對一些最基本的概念,說明一下。

粉塵爆炸,顧名思義,就是一堆細細小小的粉塵,在空中發生爆炸。在物理上,爆炸是一個不太容易定義的概念。也因為這樣,所以網路上有很多似是而非的說法,譬如說像下面這一段,就是不正確的觀念:




以定義上來講,爆炸指的是很大量的位能(pothential energy),在極短時間內,被轉換成工作能(work)的一個現象。這樣大量的能量釋出,會使得物體的分子,在一瞬間獲得能量,讓分子間的間距迅速拉開,導致體積大幅增加。大家一定都喝過可樂,把可樂打開的時候,會有氣泡一直冒出來,如果搖一搖,更會連著液體一起噴出來,那是被高壓力溶在可樂裡的二氧化碳,快速汽化,導致體積增加,於是跑出來的現象。更極端一點的例子,是曼托珠丟可樂,導致快速氣化,氣體體積大幅增加,塑膠瓶身強度不夠,所以瓶子會爆開。

可是如果今天這個瓶子夠堅固,氣體獲得能量造成的壓力,不足以把瓶子撐破,體積就不會增加,反而是瓶內壓力會大幅上升。譬如你把籃球充氣,籃球會鼓起到一個程度,變得硬硬的,之後再充氣,除非充爆籃球,不然便是體積不變,但籃球裡面壓力變大的狀況。

所以,體積增加,並不是爆炸的一個必要條件。壓力增加也不是。哪一個狀況會發生,得視情況而定。我個人比較不喜歡固定體積的概念,也就是「爆炸是一個,當發生在固定體積時,會讓壓力急速且大幅增加的一種,在極短時間內發生的超劇烈放熱化學反應(exthothermic reaction)」這樣的闡述方式。

至於體積增加這個角度,則比較和我胃口。這是因為,爆炸的其中一個特色,就是由於體積快速增加,產生所謂的shock wave(抱歉我真的不知道這個的中文是什麼)。你在電影裡,看到爆炸的時候,東西會飛走,主角會被震飛(雖然很神奇的都不會死),那基本上就是shock wave造成的。或許你可以把它想成一團快速變大的空氣,朝你撞過來,把你彈飛,可能會比較容易理解。

所以說爆炸必須要在密閉空間發生,是不正確的認知。而粉塵的密度,也不能這樣一概而論。後面這點,下面的文章會有比較詳細的說明,不過這裡我們暫且壓下,先處裡其他部份。
爆炸定義的模糊,會讓討論變得太複雜。是以接下來,為了討論方便,我們就先把爆炸限縮成是一個「在極短時間內,大量工作能被釋放」的一個現象。

由於上面那個定義,在量上(magnitude),並沒有給一個精確的定義,所以很多人會爭論,體積增加,或著壓力增加,要到什麼快到程度,以及要劇烈到什麼程度,才算爆炸。

但這在八仙粉塵爆炸這個例子上,並不是太重要的爭論,因為不管你是否把那個現象的強度當作爆炸,他產生的基本原理,都是一樣的。而且我也不相信你有辦法透過影片,就看出當時體積增加的強度。

回到正題。

粉塵爆炸發生的原因,絕大多數是由燃燒所造成。而燃燒,是一個極劇烈的氧化還原反應,所以你也可以把粉塵爆炸,看成是一個在極短時間內發生的,一連串失控的氧化還原反應。

那要什麼在條件下,才有可能發生一個「極短時間內可以釋放大量能量」的氧化還原反應呢?

首先當然就是要有能量來源,去引發這個反應,這個過程叫做引燃(ignition)。

每個東西,依其性質不同,會有不同的引燃溫度,我們稱之為最低引燃溫度(Ignition temperature)。這個最低引燃溫度通常是在實驗室裡測出來的,也就是說,他是在一個控制良好的環境裡面(溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、粉塵顆粒大小等),利用像是加熱到一定溫度的金屬板之類的東西,來測試能否產生一開始,讓空氣和粉塵產生足夠強的碰撞,造成引燃的實驗。因此,在嘗試把這個結果給轉換到現實生活中時,必須注意,即使是同一個東西,像是同樣是玉米粉,其最低引燃溫度,會因為外在環境的改變,而發生變化。而不同物質間,即使在實驗室裡,最低引燃溫度,差到好幾百度,有是常有的事。

除了直接引燃的最低引燃溫度之外,還另一種溫度也必須注意,我們叫做悶燒溫度(Smouldering temperature)。我想大家應該都看過木炭燃燒,那種很慢很慢,沒有火焰的燃燒吧?一般有火焰的燃燒,燒的是被熱直接氣化的木頭,也就是木頭成份中,形成氣體的部分。而沒有火焰,像是木炭那樣的無焰燃燒,燒的則是剩下沒有氣化的部分,也就是直接燒固體。

這種固態的東西,直接被降解的過程,我們叫做熱降解(Pyrolysis)。熱降解這個過程,本身是不需要消耗氧氣的。會消耗氧氣,是等到熱降解產生之後,物體被降解成可燃燒的氣體,這些氣體,和氧氣作用,才會形成浩氧的燃燒。而留下來的固體,通常都是一些碳的聚合物,這些剩下的探,燒得很慢,但也燒得很久,這個就叫做悶燒。

能夠產生悶燒的物質,通常都有很多小孔,可以讓氧氣流過,增加接觸面積,也保留氧氣。點燃的香煙,也是屬於無焰燃燒的一種。

這種無焰悶燒,在某些情況下,也可以點燃粉塵,不過不是像引燃那種方式。想像一下,如果今天漫天落下的粉塵,完全蓋住了一根還未熄滅,掉在地上的香菸。這根香菸,在仍可以接觸到樣氧氣的情況下,就被悶在裡頭慢慢燒。這個時候,由於外面這一層粉塵,就形成了很好的隔熱層,讓熱能在裡頭快速累積。在這樣的情況下,這些粉塵,就會被以相對較的一的溫度給點燃,點燃之後,就有了火源,於是就能快速引燃空中的粉塵,形成粉塵爆炸。

是以,通常悶燒溫度,會比最低引燃溫度還要來得低,有時候低上一兩百度,都沒問題。網路上有些人說,香菸是點不燃粉塵的,這是一個非常籠統的論述。由上述說明,你至少可以知道,悶燒的香菸,透過間接的方式,是可以引發粉塵爆炸的。至於香菸能否直接引燃空中的粉塵,這得視很多條件而定。簡單講,我們在講會不會引燃時,真正在討論的其實是最低引燃能量(Minimum ignition energy)這個概念,也就是要在這個特定的條件之下,引燃某個特定的粉塵,需要的最低能量是多少。

每種東西的最低引燃能量都不同,而提高溫度只是提供能量的一種方式,當然也還有其他方式。是以香菸能否直接引燃粉塵,也要視它能否提供足夠的最低引燃能量而定。

但光是引燃還不夠,要引發粉塵爆炸,你的反應時間還得要夠短,發生的速度要夠快才行。那怎樣可以產生一個極快速的化學反應呢?

這個時候,我們需要一點點基本的國中理化概念。所謂的反應速率,指得是化學反應發生的速度。以燃燒來說,你可以想像有一堆氧氣,圍繞著一根木頭,不斷產生氧化還原反應。這些氧分子,必須和木頭分子碰撞,這個反應才有可能發生。

因此,倘若根木頭如果很粗很大,一開始的時候,只有外面那一層,接觸得到氧氣,裏頭的部分,必須等外頭反應完,才有辦法接觸到氧。因此,這根木頭裏頭的部分越大,一開始能接觸到氧的面積就越小。

為了方便說明,我們假設今天有一個正方形的木頭,他的邊長是2公分。因此,它的體積,就是8立方公分,而它的表面積,則是24平方公分。那他表面積與體積的比,就是(24/8) m^−1,也就是3 m^-1。

若是我們把這個正方形的大木頭,均分成八個邊長1公分的小木頭。這個時候,這八個小木頭的體積,還是8立方公分。但是他們的總表面積,就變成了48平方公分。因此他的表面積與體積比,就會變成6 m^-1。



因此,同樣大小的一個物體,他能夠和氧接觸的表面積,就變大了,所以反應速率,自然也就變快了。

如果用圖像來表示,或許我們可以這樣理解:



由上面這張圖,你可以看到,左邊的藍色物體,是排列比較緊密的,我們就把它當成是一個,由二十個木頭分子,組成的一個大木頭。這個木頭最中間那六個,被我打叉叉的木頭分子,在反應一開始的時候,是接觸不到外頭深紅色的氧分子的,也因此,這時就等於只有十四個分子在反應。

反之,在右邊的圖中,這二十個木頭分子,分得比較開。因此,所有的木頭分子,都可以和暗紅色的氧分子反應。在這樣的情況之下,應該不難想像,右邊的反應,會比左邊的反應,進行得更快。

這時候,如果你去計算表面積與體積的比,左邊的比例,會像上面正方形木頭顯示的那樣,比右邊的比例還要大。

由此,我們可以導出一個很簡單的推論:反應速率,和表面積與體積的比成正比。

這個表面積和體積的比,我們有一個專有名詞,叫做Specific Surface Area(SSA),定義上寫作是"total surface area per unit volume",也就是每一單位體積的表面積。

是以,反應速率,和SSA,是成正比的。因此,當體積相同時,我們就可以下一個簡化的結論:【表面積越大,反應速率越快。而相同體積的東西,被切成越小的顆粒,表面積就越大,因此反應速率就越快。】

在得出這個結論以後,其實我們就已經抓到了粉塵爆炸要能夠產生,必須具備的其中一個重要條件:「粉塵的顆粒要夠細。」

大家可以用一個簡化的模型想像一下。如果今天一個可以被氧化的東西,被分割成一百萬個非常細小的碎屑。這些碎屑因為質量非常小,所以不太受地心引力影響,讓他們能夠因為浮力浮在空氣中。

這些小顆粒,如果散佈得夠開,就能夠均勻的和氧氣混合在一起,像是上頭右圖那樣。與氧互相碰撞的粒子,會發生化學反應,釋放出能量(也就是燃燒)。而這些反應釋放的能量,也可以激起其他顆粒的引燃,造成鏈鎖反應。

由於這些顆粒非常小,反應速率非常快,快到鏈鎖反應發生在一瞬間。這時候我們可以把這個反應,視為一個一百萬顆分子,在同一時間釋放能量的反應。而這樣短時間內巨大的能量釋放,就會形成我們認知中的爆炸。

由這樣簡單的模型,我們可以得到一個初步的認知:粉塵越細,一旦引燃,粉塵爆炸發生的可能性就越高。

然而,這樣的論述,只在一定範圍內適用。

當粉塵細到一個程度以後,反應速率太快,還來不及和氧氣反應,他們很可能會直接被熱降解成氣體(pyrolysis),於是這個反應,就變成了氣體燃燒的反應。

所以如果粉塵細到會直接產生熱降解,那粉塵爆炸,也不容易發生。

同時,前頭提過,當粉塵變得越來越細時,其受地心引力的影響也越小,所以他們能夠漂浮在空中。然而,在這個時候,粉塵之間的作用力(inter-molucular forces,譬如說凡德瓦力),扮演的角色就會相對提高。這個粉塵間的作用力(cohesion),和反應速率類似,都是和SSA成正比,所以顆粒越小,把這些顆粒黏在一起的作用力總和,就會越大。

因此,這些超小的粉塵,就會受彼此間作用力的吸引,而黏在一起(cohesion)。但即使黏在一起了,他們的質量,可能還是小到可以漂浮在空中。

在這樣的情況下,即使單一顆粒本身變得再小,都沒有意義了,因為這些黏在一起的超小顆粒,就和大顆粒一樣,會有比較小的SSA。

所以顆粒變小,對於反應速率增快的幫助,是有其極限的。

而除非你有火眼金睛,不然我是不太明白,要如何能夠要光用看的,就可以看出來現在這個顆粒大小,發生粉塵爆炸的機率有多大。

從這裡我們又可以引出另外一個概念,就是濃度對於爆炸發生機率的影響。

許多人會和你說,只要粉塵可燃,濃度又夠高,一旦引燃,就會發生粉塵爆炸。但這是完全錯誤的觀念。

事實上,能夠引發粉塵爆炸的粉塵濃度,只有一個很小的範圍,他的下限我們稱為是爆炸下限濃度(Minimum Explosible Concentration),上限則稱為爆炸上限濃度(Maximum Explosible Concentration)。

濃度不夠高,無法引起爆炸,這應該很好理解。你就想像在一條長達五公里,烏漆抹黑的隧道中,你在其中一個盡頭,用手電筒照射。因為距離實在太遠了,你的光源是不可能傳到另一頭去,讓站在另一個盡頭的人看到的

同樣的道理,當一個空間中,粉塵的濃度太低,粉塵顆粒彼此的距離太遠,一個小顆粒的能量,無法傳到另一個小顆粒,或著只能傳給有限的小顆粒,這樣就無法引起連鎖反應,爆炸就無法被引發了。

那為什麼當粉塵濃度太高,也不容易引爆呢?

讓我們先從剛剛提過的凡德瓦力說起。凡德瓦力的另一個特性就是他和距離成反比。也就是說,距離越近的兩個分子,他們之間的凡德瓦力越大。而當一個固定空間中,粉塵的濃度很高的時候,粉塵彼此的距離就會很近(想像一下下班時候的捷運臺北車站),這些擠在一起的粉塵,會受到凡德瓦力的影響,黏在一起,於是就會像上面說的,跟粉塵太細的時候一樣,反而導致SSA變小,讓反應速率下降。

更重要的,是當一個固定空間裡某種東西太多,其他東西就擠不進來了。在這樣的情況下,像是燃燒所必需的氧氣,數量就會減少,反而造成反應不容易發生,或著無法讓每一個小顆粒,都進行不受限的燃燒反應。下面是一個示意圖:

我們一樣把藍色當成粉塵,紅色當成氧。在左邊那個圖中,於一個固定空間內,粉塵的密度,或說濃度較低,所以有足夠的氧可以進來,和他進行碰撞,產生然生反應。然而,在右圖中,粉塵濃度太高,氧反而擠不進來,這樣就沒辦法進行燃燒反應。

把這個密閉空間的概念做一個延伸,或許你可以把濃度過高的情況,想成是粉塵彼此之間的距離太近,太擠了,導致氧擠不太進去這個粉塵形成的雲霧中(dust cloud),因此無法發生快速且不受限制的燃燒反應,於是爆炸,也就不容易發生了。

由於粉塵散佈在空中時,很可能不是處在一個很侷限的密閉空間,他們要像低進開水中的墨汁一樣,均勻地在水杯中擴散開來,會需要時間,而這時間,又會受到很多不同條件的影響。是以,在一個開放空間中,粉塵的濃度,很可能不是處於一個均勻的狀態,這會讓分析,變得更加困難,也不容易用能度或密度的概念,去描述粉塵的分佈。因此,我們在講粉塵濃度時,往往會用粉塵的分佈(dust dispersibility),去配合濃度的概念,一起去評估爆炸的可能性。如果粉塵分佈的距離恰到好處,近得讓濃度夠高,但又遠得讓粉塵間的作用力不夠大,且氧可以擠進來,那這樣爆炸的可能性,就大大的增加了。

以上,大概就是粉塵爆炸的一些基本概念,也差不多是我能夠簡單描述的極限了。上頭每個點,都可以再更深入的討論,但要講那些,我就需要去翻論文了。

必須要強調的幾個點是,上頭提到的幾個,決定粉塵爆炸會不會產生的因素,都是一個定量的概念,且彼此都會互相影響。一旦改變了其中一個變數,往往其他的變數也會跟著連動,所以會不會爆,完全是一個遠超過一般教育中,理化程度有辦法處理的問題。因為即使你每一個概念都學過,還必須有很深的思考深度,和夠好的科學概念,以及一些經驗,去判斷每一個變數的狀況。某種程度上,你甚至可以說,這是一個條件機率的問題。講說濃度太高一定會爆,或著某種粉一定不能用,這都是缺乏probability thinking,以及無法判定不同前提的半調子科學概念。

同時,也因為變數太多,且變數間會連動的特性,會使得粉塵爆炸是否會發生,變成一個根本無法用直觀的方式去判斷,現在的危險性有多高的問題。
當然,我可以很籠統地說,因為粉塵雲(dust cloud)非常鮮明的高光學密度(optical density)性質,所以一旦發現你的視線,會被粉塵遮蔽,那你就應該高喊塊陶啊。但如果沒有火源,或著粉塵顆粒太大,又或著濃度過高,甚至粉塵本身是類似小蘇打這類的不可燃物,那即使看得到視線無法穿透的粉塵雲,也沒有什麼危險。

在這樣的情況下,如果我們做的,只是用半調子的科學培養恐懼,往往會遮蔽掉其他很多更重要、更應該檢討的地方。


我舉個我在別處寫過的例子。

譬如我們一直告訴大家,在辦派對的時候,一直噴色粉,就會引起粉塵爆炸。於是大家都不再參加到處噴色粉的派對,甚至政府下令禁止。

但萬一其實色粉要引起爆炸,是需要很多條件加在一起的,我們是因為很多地方沒做好;是因為很多公共安全措施,沒有確實執行;是因為主辦單位犯了一些錯,所以才造成這樣的悲劇事件。

可是我們只專注在粉塵很危險。

那下一次,辦別的活動,會不會因為其他層面的公共安全沒做好,繼續犯錯,而導致其他類型的悲劇發生呢?

預防永遠都是防止悲劇最好的方式。

粉塵爆炸的研究,已經有很多年的歷史,也早就發展出很多預防的方法。要執行這些預防措施,甚至不需要很好的科學概念。

譬如說,燒傷要沖脫泡蓋送,你不用了解背後的科學或醫學原理,也會照著做啊。

檢討我們執行這些預防措施的SOP,或著讓民眾了解這些預防措施是怎麼執行的、去參加派對時,要注意主辦單位有沒有留意哪些預防措施,我想一定比貼一些根本沒做好control,且意義不明的實驗,或著講一些半調子的科學概念,要有用很多。

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