1、化學學院5.26實驗室事故的調查報告1. 事故經過據調查事故發生在5月26日晚上10點左右，碩士研究生王麗同學在逸夫工 程樓（16號樓）402實驗室進行水熱反應釜套管積炭清洗操作，據當事人表述向聚 四氟乙烯套管中加入約24毫升水和約20毫升濃硝酸，然后將套管放入不銹鋼水 熱反應釜中，用手擰緊蓋子，再手拿著反應釜準備放到實騎臺對面2米左右遠的 虎鉗上進行機械旋緊，在手持過程中發生氣體極速膨脹引起的爆炸，水熱反應釜 筒體發生變形，活動底蓋飛出，在瞬間的反作用力下導致王麗右手損傷。王麗同 學冋憶，當發生爆炸的吋候，有巨大的聲響，右手還抓住反應釜體的，有大量的 水汽一樣的霧在周圍。王麗同學下意識的將左

2、手的一只未爆炸反應釜爆放到實驗 臺上，發現自己右手出血，自行走去水池邊用水清洗手，擔心酸腐蝕手，看到水 池上也有很多血，然后再走出實驗室。離事故現場最近的博士研究生苗廣也描述 當時爆破聲咅較大，失聰到第二天才正常。周圍都是霧氣，有聞到酸的氣味，沒 有看到煙等其他現象。，此時聽到劇烈爆炸聲的夏啟斌教授（課題組教師）最先 到達事故現場照顧受傷的王麗，幫她簡單處理傷口，立即撥打120電話，10分 鐘后一起跟隨救護車到醫院進行治療，同實驗室的苗廣博士生進入實驗室，查看 事故現場，發現實驗臺上放置的未爆炸的另一只水熱反應釜（平行樣）在冒煙, 當天晚上未處置該反應釜。2. 事故現場調查學校實驗室設備處于6

3、月23日成立了事故調查組，對該爆炸事件進行了調 查，調查組成員分別于6月237月8號兩次到事故現場進行調查，聽取了當事人和事故發生時在場的其他幾位研究生的描述，爆炸發生后，實驗室水泥地 被爆炸飛出的水熱反應釜活動底蓋打出一個深度約1厘米的凹陷，釜體下端和活 動底蓋變形（見附件材料）。事故發生吋涉及到的藥劑主要有濃硝酸，純凈水， 無水乙醇，n,n二甲基甲酰胺（dmf）o3. 事故原因分析根據當事人、事故發生時在場的幾位研究生6月24日提交事故過程陳述文 字材料，及29 口對研究生導師李忠教授、當事人和同實驗室其他研究生的問話， 均認定是用硝酸清洗反應釜過程發生的爆炸，但操作細節的表述前后有不-致

4、的 地方。例如，加入硝酸的操作，第一階段調查時說在實驗臺上，第二階段調查時 講是在通風櫥屮，而同學苗廣說是他代當事人加的硝酸，調查組從當事人、事故 發生時其他三位在場研究生表述爆炸發生的過程、實驗操作過程使用的藥劑、相 關化學反應等方面分析，無法解釋該水熱反應釜在接近常溫，用硝酸浸洗聚四氟 乙烯內套管過程，為何會產生如此威力較大的爆炸。該課題組事故后未及時將事故現場封存，對實驗室事故現場進行了清掃，造 成釜內物質爆炸后的殘留物、另一個平行試驗反應釜的內容物等均已處理掉，給 進一步分析取證帶來困難。調查組成員充分分析、討論了當事人用到的藥劑，采 用排除法進行驗證性實驗。第一個驗證實驗根據當事人描

5、述用濃硝酸（65%-68%的分析純試劑，下同） 和純凈水按1:1.25 （體積比）混合不會發生反應；第二個驗證實驗將12. 5毫升 濃硝酸加入10毫升的dmf中，僅發現有少量白色輕霧狀氣體產生，同時有較弱 的溫度升高，放置半小吋未發現劇烈的化學反應和大量氣體的產生；第三個驗證 性實驗將12. 5毫升的濃硝酸加入10毫升的無水乙醇中，放置約3分鐘，突然聽 到微弱的玻璃碎裂的聲音，并發生劇烈反應，瞬間產生大量黃棕色氣體（見附件 材料圖片），反應持續約3-5分鐘，期間伴隨液體從燒杯中飛濺岀來，半小時后 觀察燒杯屮剩余的液體體積僅為原來的四分z左右，并有較高的溫度；第四個 驗證實驗將約1微克當事人提供

6、的活性炭材料加入到燒杯中，再加入12. 5毫升 濃硝酸，發現有白色霧狀氣體產生，持續時間約10分鐘，再加入10毫升無水乙 醇，瞬間發生劇烈的反應（見視頻證明材料），劇烈反應產生大量的棕黃色氣體， 持續時間約3-5分鐘，反應結束后燒杯中剩余的物質體積約為原來的三分之一, 溫度明顯升高。從當事人描述的藥劑加入時間到爆炸發生時間推斷與驗證實驗3相符，驗證 實驗3較好地還原了事故發生時的情景，并通過理論分析判斷，爆炸發生的原因 是當事人當時誤將到桌面上塑料洗瓶中的無水乙醇當作純凈水。根據7月8 h事 故現場調查時當事人的表述，事故發生前幾分鐘實驗臺而上有三個同樣尺寸及規 格的塑料洗瓶，一個內裝無水乙醇

7、，一個內裝dmf,-個內裝純凈水，但7月8 日在王麗使用的實驗臺柜中僅找到無水乙醇和dmf兩個洗瓶，上面名字標示較為 模糊，極易誤將無水乙醇當成純凈水。另一個未爆炸到平行樣據分析，是由于用手旋緊蓋子的程度未到達密封效果, 有泄漏，從冒煙和從釜蓋下沿溢流出來的樣品痕跡也驗證了這一推斷。4. 教訓事故發牛后未能很好的保護現場，未及時向相關部門通報事故發牛情況，給 調查取證帶來困難，這次調查組工作開展持續時間較長，多次談話，現場取證， 未能盡早判斷出事故發生的原因，也和當事人沒有實驗記錄，很好保留事故現場 有關。5. 建議進一步規范實驗室的藥劑釆購、管理和使用程序。實驗室事故發牛后必須第 一時間保護

8、事故現場，進行調查取證。加強基層實驗室的安全意識，對所開展的 實驗有預判性和必要的防護措施。有些實驗要做前期安全分析，規范實驗室職責 和處罰制度。對主要有危險性的藥品進行臺帳管理。學校要建立事故應急處置制 度。調查小組成員：2016年7月15日調查報告附件材料反應釜爆炸壓力計算及實驗室平面圖1> 16號樓402實驗室平面圖nuj08l應底在上打坑 反蕃瓜地i!|可藥品柜實臺過道儀器儀器氣瓶洗 臺洗手 臺洗手 臺注，所冇尺prm位均為圖1:實驗室平面圖2、反應釜筒體屈服壓力估算通過對同型號反應釜材質勘查與幾何尺寸測量,了解到反應釜筒體材料估計為304不 銹鋼，其強度指標為 = 52dmpa

9、,os = 205mpa,壁厚7.0mm,內徑49mm，外徑63mrr）。 263/49=1.2857, dm = 56mm,具體尺寸見圖2 °1）依據中徑公式（適合于薄壁容器）導出筒體整體屈服的極限壓力為:k-1ps = 2as s s k + 1代入數據得到筒體整體屈服的內壓為:ps = 51.25mp2）基于理想彈塑性材料,按厚壁圓筒導出筒體整體屈服的極限壓的公式依據mises屈服準則:2aslnkps = 一 = 59.49mpav33）依據厚壁圓筒內壁應力公式導出筒體內壁初始屈服時的壓力為:psi = (jsk2 -1)/(/2 +1) = 50a5mpa結合上述計算結杲，

10、對照本次反應釜爆炸后的實際狀況，由于筒體發生了顯著宏觀變形,外徑脹大達到3mm,故實際封頭爆開時的壓力應高于反應釜筒體整體屈服壓力59.49mpao3、基于反應釜筒體爆破的事故狀態壓力估算1)基于mises準則的筒體爆破壓力如圖2所示,了解到反應釜筒體材料估計為304不銹鋼,其強度指標為 =520mpaqs = 205mp-彈性模量e為2.0xl05mpa,材料的泊松比口取0.3;材料的應變硬化 指數n為0.22,自然對數的底為e二2.7183,筒體壁厚7.0mm,內徑49mm,外徑63mmo k=63/49=1.2857/ dm = 56mm,依據tresca屈服條件:pb=ahnk = l

11、3q.68mpa2)基于厚壁圓faubel爆破壓力公式的筒體爆破壓力nk = 95.52mpa3)基于swensen公氏的筒體爆破壓力pb/ 、eahnk = l21mpa鑒于筒體本身根本沒有發生爆破，僅僅發生屈服，而且faubel公式的估計比較保守, 故在實際中比較常用，可以采用95.52mpa作為反應釜筒體爆破壓力估計值。綜合前述比對，基于反應釜筒體的承壓能力估算結果表明本次爆炸事故狀態的極限壓 力在59-95mpa之間。4、基于化學反應產物的爆破壓力估算依據本次事故調查組的驗證實驗結果，結合事故發生前學生開展ptfe反應釜清洗的實 際情況，乙醇與濃硝酸總量佔計在52.5ml (洗滌、浸泡

12、可以潤濕整個內表面)以上，濃硝酸 的加量在703/4)-(l/3)=29.16ml,下面計算以25ml進行估算。1) 反應釜ptfe容器內液面以上的空間體積v依據學生陳述留有四分z體積v1即為17.5ml考慮；2) 反應釜ptfe容器內濃硝酸的有效質量mn依據硝酸的密度1.41、質量分數濃度65-68% （按照66%計）得到硝酸的有效質量mn： mn =29.16xl.41x.66=27.14g（以 100%純 hno3）；相當于0.43gmol的量。3 ）硝酸分解產生的no?氣體體積vn°2由于乙醇與硝酸反應放出的主要氣體為no?（當然包括其他氣體）依據硝酸分解方程式得知一個硝酸分子產生1分子體積的no?估算， 即lgmol的硝酸完全分解放出22.4l的no?氣體為9.632l （標準狀態）。4）硝酸分解產生的壓力估算鑒于反應釜液面以上的空間體積為27.5ml,而且本反應屈于放熱反應，即使不升溫條 件下液面以上的壓力會增加550.4倍，相當于壓力會升到55mpa以上，這是保守估計，依 據反應機理，乙醇與濃硝酸反應將釋放出乙烷、氫氣、水蒸氣等，對反應釜壓力的急劇升高 均有貢獻。僅綜合化學反應產物為大量氣體的估算結果，認為本次爆炸時反應釜內部的壓力在 55mpa以上。5、爆破壓力估算小結依據上述容器承壓爆破、化學反應產物兩大方面的計算結果，認為本次爆炸事故發