Газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей

Газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей

Реферат

Изобретение относится к противопожарным средствам, в частности к газовым составам, предназначенным для предупреждения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей на промышленных и бытовых объектах химическими средствами.

Известен состав для предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, в том числе метановоздушных, который включает ингибитор, выбранный из ряда по меньшей мере одного углеводорода, содержащего от 2 до 8 атомов углерода в молекуле, и по крайней мере одного фторсодержащего хладона из ряда трифторметан, трифторхлорметан, трифториодметан, пентафторэтан, гептафторпропан, гексафторпропан, перфториодбутан, перфторгексан, октафторциклобутан, пентафторэтан, преимущественно перфторбутан (RU 2169597 C1, A62D 1/00, А62С 3/06, E21F 5/00, 27.06.2001).

При достаточно высокой ингибирующей способности известного состава при предотвращении воспламенения и взрыва метановоздушной смеси отмечается высокий расход ингибитора (до 7 об.%).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, который содержит ингибитор горения, разбавленный диоксидом углерода, при этом в качестве ингибитора использован четыреххлористый углерод, и компоненты оптимизированы в следующем соотношении, об.%: 10-15 четыреххлористый углерод и 85-90 диоксид углерода, при содержании четыреххлористого углерода в защищаемом объеме 1-3 об.% (RU 2321437C1, А62С 3/06, A62D 1/08, 2008.04.10).

Недостаток описанного двухкомпонентного газового состава заключается в том, что четыреххлористый углерод (фреон 10, хладон 10) является токсичным соединнием. Ядовит при вдыхании паров, попадании внутрь через желудочно-кишечный тракт или всасывании через кожные покровы и слизистые оболочки. ПДК паров в воздухе рабочей зоны 20 мг/м³, в атмосфере воздуха максимальная разовая доза 2 мг/м³. Другим ограничением для практической реализации описанного состава является запрет мирового сообщества на промышленное использование хладона, разрушающего озонный слой Земли, токсичного и коррозионно-агрессивного.

Техническим результатом заявляемого решения является создание технологичного безопасного состава для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, снижение расхода ингибитора при сохранении его высокой ингибирующей способности.

Другим техническим результатом является расширение ассортимента ингибиторов для эффективного использования их при промышленном производстве и транспортировании метана, а также в бытовых условиях, например в огнетушителях.

Указанный технический результат достигается тем, что газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей содержит в качестве ингибитора горения октадекафтордекагидронафталин формулы C₁₀F₁₈, разбавленный диоксидом углерода при следующем соотношении компонентов, об.%:

Октадекафтордекагидронафталин	5,0-7,0
Диоксид углерода	остальное,

при этом содержание указанного ингибитора в защищаемом объеме составляет 0,8-0,9 об.%.

Октадекафтордекагидронафталин или его общепринятое название перфтордекалин (ПФД) нетоксичен, широко известен в медицине в качестве кровезаменителя «голубая кровь», в биологии, а также в косметической промышленности. ПФД - бесцветная, жидкость без запаха и вкуса. Применяют ПФД в медицине и биологии в качестве газопереносящих сред (растворимость O₂ и СО₂ в ПФД соответственно 40 и 180% по объему).

Октадекафтордекагидронафталин ранее не использовался в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей. Заявителем его применение по новому назначению открыто впервые.

Заявленная совокупность признаков формулы обеспечивает надежную защиту от воспламенения и взрыва метановоздушные смеси во всем диапазоне содержания метана взрывоопасных концентраций от 5,25 об.% до 13,75 об.%, особенно в области его нижнего взрывоопасного концентрационного предела, а именно 7,5 об.%.

Предложенный ингибирующий газовый состав негорючий и нетоксичный и может длительно храниться в обычных условиях.

Ингибирующее действие предложенного газового состава более эффективно, чем у известных аналогов, так как для надежного предотвращения взрыва метановоздушной смеси потребность в ингибиторе более чем в 2 раза меньше. Экспериментально установлено, что для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушой смеси в защищаемом объеме достаточно содержания в нем 0,8-0,9 об.% ПФД, тогда как содержание ингибитора четыреххлористого углерода по патенту 2321437 составляет 1-3 об.%.

ПФД является сильным ингибитором, который эффективно прерывает реакционные цепи, динамично перехватывая активные частицы, предотвращая тем самым лавинообразное их размножение:

Н+C₁₀F₁₈=HF+C₁₀F₁₇.

Замена химически активного атома Н на радикал C₁₀F₁₇ равносильна обрыву реакционной цепи, поскольку этот радикал не способен своими реакциями регенерировать активную частицу.

Таким образом, осуществляется химическое управление процессом горения посредством малых добавок газового ингибитора.

При локальном инициировании в горючей смеси распространяется волна горения. При этом, если механизм реакции не содержит квадратичного разветвления, распространение пламени имеет тепловую природу. Ингибитор при этом эффективен в предпламенной зоне, обрывая реакционные цепи. Таким образом, цепной механизм газофазного горения происходит при любом эндогенном горении самоускоряющегося химического процесса за счет положительной обратной связи скорости реакции и выделяющегося тепла, разогревающего смесь.

Диоксид углерода в предложенном ингибирующем составе является флегматизатором, который усиливает действие ингибитора за счет уменьшения концентрации окислителя, а также действует в качестве третьей частицы тримолекулярной реакции, которая стабилизирует продукт рекомбинации:

Н+O₂+М=Н₂O+М.

Процесс ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси отрабатывался при атмосферном давлении на статической вакуумной установке. Реакционный сосуд представлял собой цилиндр из нержавеющей стали длиной 16 см и диаметром 10 см, снабженный съемными крышками, оптическими окнами из оргстекла и пьезоэлектрическим датчиком давления. В центре реактора располагали электроды искрового зажигания. Горение инициировали искрой с энергией 0,91Дж. В опытах использовались смеси 6-10% метан-воздух. Перед каждым опытом реактор откачивали до давления 4.10^-3 торр. Давление добавки измеряли вакуумметрами ВДГ-1, а остаточное давление - ВИТ-2 соответственно. Эксперименты проводили следующим образом. В откачанный до 10^-2 торр реактор напускали первоначально пары перфтордекалина, затем метан, контролируя давление вакуумметром ВДГ -1, и воздух до атмосферного давления. Одновременно с подачей электрического импульса на электроды с устройства искрового зажигания подавали прямоугольный импульс амплитудой 6В на вход синхронизации электронно-лучевого запоминающего осциллографа С9-16, что обеспечивало начало регистрации процесса горения. На измерительный вход осциллографа подавали сигнал от датчика давления.

Поскольку смесь 7,5 об.% метана с воздухом является наиболее взрывоопасной, то эксперименты были проведены именно для этого содержания метана, результаты которых приведены в таблице.

Аналогичные результаты были получены при замене чистого метана на природный газ, который содержал 98% СН₄ и 2% пропана и бутана.

Два последних столбца таблицы характеризуют взрывоопасность газовой смеси. Чем меньше изменение давления, тем меньшую интенсивность имеет ударная волна при воспламенении и распространении пламени в горючей смеси. Количество инициирований означает, с какой попытки при заданной мощности поджига произошло воспламенение, т.е. чем больше количество инициирований, тем менее взрывоопасна горючая смесь.

Из таблицы видно, что при введении в метановоздушную смесь указанного взрывоопасного диапазона (особенно важно по нижнему пределу содержания метана) ингибирующего состава, оптимизированного в количестве не более 0,9 об.% от защищаемого объема, воспламенение отсутствует, следовательно, нет и взрыва.

Таким образом, предложенный ингибирующий газовый состав негорючий и нетоксичный, эффективно предотвращает воспламенение и взрыв метановоздушных смесей при минимальном расходе ингибитора. Предложенный состав может быть использован при промышленном производстве, транспортировании метана, при утечках его на станциях перекачки, а также в бытовых условиях, например в огнетушителях, для целевого тушения возгорания метановоздушных смесей в виде устойчивого аэрозоля.

№ опыта	СO2, об. %	Перфтордекалин, об. %	Метан, об.%	Изменение давления при воспламенении, атм	Количество инициирований до воспламенения
1	15	0,8	7,5	0,1	5
2	15	0,9	7,5	0	20 воспламенение не произошло
3	15	0,7	7,5	0,5	1
4	15	0,6	7,5	2	1
5	13	0,9	7,5	2	1
6	13	0,8	7,5	2,5	1
7	10	0,9	7,5	3	1
8	10	0,8	7,5	3	1

Газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, содержащий ингибитор горения, разбавленный диоксидом углерода, отличающийся тем, что в качестве ингибитора он содержит октадекафтордекагидронафталин формулы C₁₀F₁₈ при следующем соотношении компонентов, об.%:

Октадекафтордекагидронафталин	5,0-7,0
Диоксид углерода	Остальное,

при этом содержание указанного ингибитора в защищаемом объеме составляет 0,8-0,9 об.%.