北川徹三“平衡破坏型蒸气爆炸”理论的热力学分析与讨论（一）
沈华民
（中国化工学会化肥专业委员会，上海200062）
［摘 要］为了分析尿塔爆炸事故的原因，对日本学者北川徹三创立的“平衡破坏型蒸气爆炸”理论展开深入剖析。首先考察了“蒸气爆炸”现象的特征，并进行热力学分析，得出“过热态”是发生极具破坏力蒸气爆炸的先决条件，进而以热力学分析为基础，从动态和静态两方面详细论证了北川设计的平衡破坏状态下的压力容器内难以形成“过热态”。同时，还发现北川设计的实验装置存在着缺陷，导致出现测定的压力数据升高的虚假，以及北川用“过热能量”理论计算的压力升高值与实验所得的最高压力值也极不一致。最终从原理、实验、计算三方面否定了容器内发生“平衡破坏型蒸气爆炸”的可能性。
［关键词］ 尿素合成塔；爆炸原因；北川徹三；平衡破坏型蒸气爆炸；热力学分析；原理；实验；计算
［中图分类号］ TQ 441.41 ［文献标志码］ A［文章编号］1004-9932（2015）
0 引 言
我国的水溶液全循环法尿素装置分别于1995年和2005年发生了2起严重的尿素合成塔爆炸事故，造成了极为严重的人员伤亡和财产损失。最近的一次爆炸距今已过去10 a，但对于其爆炸的原因，至今业界尚未得到统一的认识。有的认为属于“平衡破坏型蒸气爆炸”［1］，有的认为是“化学爆炸”［2-4］。
爆炸原因的认识不统一必然导致人们对再次发生爆炸的忧虑，尿素企业生产技术安全管理部门处于既要防止平衡破坏型蒸气爆炸，又要防止化学爆炸两方面作战的状态，并制定２套防范措施。这必然会导致尿素装置生产成本的增加并带来资源的浪费与损失。
全球化时代的尿素产业必须走节能减排为主线的绿色低碳发展模式，传统的水溶液全循环法尿素装置面临第三次创业，需要节能技术的自主创新改造，以提升竞争力，实现“中国梦”。前一时期，尿素论坛呼吁，尿塔爆炸原因不应成为悬案一直拖累着尿素产业的继续发展，不应成为实现“中国梦”的阻力因素。
尿塔爆炸原因的分析讨论不应停留在传统的老套路，也需与时俱进、创新思路，应如同自主开发新技术的方法一样：首先对国外先进理念（新型的爆炸理论原理等）进行消化吸收，并进行科学分析；进而将其合理内核应用于事故分析，实现自主再创新过程。
日本学者北川徹三提出的“平衡破坏型蒸气爆炸”是我国有些人分析尿塔爆炸事故的主要理论依据之一。为此，笔者拜读了其专著《爆炸事故的分析》［5］，并对其提出的“平衡破坏型蒸气爆炸”理论开展了热力学分析考察，讨论了这类爆炸在原理、实验、计算等方面存在的缺陷和不足，以及用于尿塔爆炸事故分析存在的问题。本文的目的在于抛砖引玉，排除干扰，推动理性思维与分析研究，从而探寻尿塔爆炸的真正原因，以杜绝尿塔再次发生严重爆炸事故。
1“蒸气爆炸”的热力学分析
北川将“平衡破坏型蒸气爆炸”归类于过热液体蒸发引起的爆炸，即通常谓之的“蒸气爆炸”，为此，本文首先考察蒸气爆炸现象的特征并进行热力学分析讨论。
1.1原理及现象概述
常压下，在强热源作用下，水迅速升温到100 ℃以上，这时水瞬间变为过热水。处于过热状态之下的水是不稳定的，能瞬间发生沸腾现象，过热水由液态挥发（相变）为水蒸气，随之，物系压力急剧上升，就会发生爆炸现象，这种爆炸现象称为水蒸气爆炸。此类爆炸不只限于水，其他液体同样也可能发生。这类因液体受外部强热源加热，从而使液体瞬间吸收过多热量而转变为过热状态，继而迅速由液态相变为气态，物系体积急剧增加而引起的爆炸现象，统称为蒸气爆炸。
常温水全部变为蒸汽时的体积增加率：当水蒸气温度为100 ℃时，其体积约为原来水体积的1 700倍；如果水蒸气温度上升到300～500 ℃，其体积将为原来水体积的2 600～3 500倍。由液相到气相的急剧相变而发生的爆炸，是由于随着相变而引起物系体积急剧增大，从而使压力急剧上升而造成的。
在蒸气爆炸过程中，完全不需着火或火源。因此，不管这种液体状物质是可燃性的还是非可燃性的，都可能发生蒸气爆炸。
1.2 热力学分析及讨论
“过热态”是发生蒸气爆炸的诱导因素，形成条件有二：其一，等压等容条件下，液相物系突然获得过量热量而形成介稳状态；其二，需强热源，并能向液态物系快速传递大量热量。所谓强热源，即温度高、热容量大的发热体。同时，需受热的液态物质质量小，且温度近于沸点。当两者接触后液态物质迅速从强热源吸收过量热量，此热量除了一部分转化为显热使液体升温至沸点之外，还有大量过多热量仍隐藏在液体内，使液体成为过热态。这种介稳态的液体能瞬间将过量热量转变为汽化热，发生暴沸现象，物系体积突然大大增加，压力瞬间增高，导致发生蒸气爆炸现象。
更多内容请见《中氮肥》2015年第4期