СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ВЗРЫВА ВОДОРОДОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
METHOD OF PREVENTING IGNITION AND EXPLOSION OF HYDROGEN-AIR MIXTURES

Изобретение относится к материалам, содержащим органические соединения, замедляющим химические реакции, а более конкретно к способам предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей.
Уровень данной области техники характеризует способ предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей посредством введения в них углеводородного ингибитора, описанный в патенте RU 2042366 С1, A62D 1/00, 1995 г.
В качестве ингибитора горения используют смесь алканов и алкенов с числом атомов углерода от 1 до 6, например бытовой баллонный газ, количественное содержание которого в горючей смеси ограничено в диапазоне 0,3-10 об.%.
Целевое использование способа ингибирования водородовоздушных смесей во всем диапазоне концентрационных пределов 4-75 об.% содержания водорода очень широкое: в процессе получения, хранения, транспортировки и применения водорода, в летательных аппаратах легче воздуха (дирижаблях, аэростатах и т.п.) в качестве наполнения.
Варьирование концентрационным содержанием ингибитора в виде смеси алканов и алкенов позволяет управлять кинетикой процесса горения, предотвращая взрыв.
При введении ингибитора в количестве 7-10 об.% в водородовоздушные смеси во всем концентрационном диапазоне содержания водорода полностью предотвращается воспламенение.
Слабое ингибирующее действие насыщенных углеводородов (алканов) в предложенной газовой смеси ингибитора усиливается добавкой олефинов (ненасыщенных углеводородов) алкенов.
Соотношение в смеси ингибитора алканов и алкенов должно быть оптимизировано, так как в случае недостаточного содержания алкенов (ненасыщенных углеводородов) может произойти взрыв для бедных водородовоздушных смесей.
Эти вопросы в патенте не отражены и требуют дополнительных исследований, опытов и анализа для конкретного технического решения, которое без изъятий усовершенствует описанное изобретение.
Наиболее близким по технической сущности и числу совпадающих признаков предложенному способу является описанный в патенте RU 2081892 С1, С09К 15/04, 1997 г. способ предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, который включает введение углеводородного ингибитора альтернативно: в водород или воздух до образования их смеси, или непосредственно в водородовоздушную смесь.
Особенностью известного способа является то, что в качестве ингибитора используют углеводород нормальной, или циклической, или изоструктуры, содержащей в молекуле 1-8 атомов углерода при концентрации ингибитора в пределах от 0,1 до 15,5 об.%.
Недостатком известного технического решения является ненадежное функционирование водородовоздушных смесей во всем широком концентрационном диапазоне содержания ингибитора.
Так, на нижнем пределе диапазона (0,1-0,3 об.%) при концентрации водорода в смеси в районе 30 об.% горение водородовоздушных смесей переходит во взрыв и детонацию.
Описанный комплексный ингибитор предотвращает взрыв водородовоздушных смесей в широком диапазоне содержания компонентов, но при этом сохраняется способность горения, что ограничивает использование в летательных аппаратах в качестве наполнения, обеспечивающего подъемную силу.
При этом содержание смеси ингибиторов в области верхнего предела заявленного диапазона полностью исключает воспламенение и взрыв, однако функциональность водородовоздушных смесей снижается: во-первых, падает подъемная сила наполнения в аэростатах и дирижаблях, а во-вторых, не происходит воспламенения для использования по назначению после транспортирования ингибированной водородовоздушной смеси, как бы ее не разбавляли воздухом.
Для обеспечения способности воспламеняться и гореть ингибированной водородовоздушной смеси после безопасной транспортировки дополнительно ее необходимо фильтровать для удаления ингибитора, что трудоемко и затратно.
Смесь указанных ингибиторов характеризуется слабым действием по прерыванию цепно-термической реакции горения водородовоздушных смесей, что вызывает необходимость увеличивать их количественное содержание в ущерб свойствам и характеристикам по основному назначению в применении водородовоздушных смесей.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование способа предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей путем введения более активного углеводородного ингибитора в оптимизированном диапазоне количественного содержания, обеспечивающего унификацию использования по разному назначению.
4
8
3
6
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, включающем введение непосредственно в водород углеводородного ингибитора, согласно изобретению, для смесей, содержащих водород более 35 об.%, в качестве ингибитора используют изобутен (i-СН) или пропен (СН) в количестве 2 и 3 об.% соответственно.
Отличительные признаки обеспечили пожаро- и взрывабезопасность при изготовлении, хранении и в служебном обращении водородовоздушных смесей, в частности, содержащих водород более 35 об.%, за счет введения активного ингибитора горения в оптимизированном минимально необходимом количестве непосредственно в водород, до его смешивания с воздухом.
Этот способ технологичен, прост в практической реализации, эффективен по назначению.
Целесообразно водород вводить в рабочий объем, где предварительно находится изобутен или пропен в количестве 2 и 3 об.% соответственно, чем полностью предотвращается воспламенение водородовоздушных смесей, образующихся при несанкционированном и неизбежном натекании воздуха в рабочий объем.
В предварительно ингибированный водород воздух вводят беспрепятственно в любых объемах, потому что образующаяся водородовоздушная смесь, содержащая ингибитор (изобутен или пропен), не воспламеняется и соответственно не взрывается.
Так как целевым назначением предлагаемого технического решения является приготовление водородовоздушных смесей для наполнения летательных аппаратов легче воздуха, то концентрация водорода по соображениям продуктивности практически ограничена на минимальном уровне 35 об.%.
При этом водородовоздушная смесь обеспечивает подъемную силу, сравнимую с гелием, и в 2,5-3 большую, чем нагретый воздух в термопланах.
В первом случае преимущество заключается в многократной дешевизне предложенного газового наполнения аэростатов, дирижаблей и т.п., а во втором случае - улучшенную технологичность приготовления и использования водородовоздушных смесей по назначению, большую грузоподъемность.
При использовании изобутена в количестве менее 1,5 об.%, а пропена меньше 2,5 об.% для ингибирования водородовоздушных смесей с концентрационным содержанием водорода более 35 об.%, воспламенение может произойти от мощного теплового источника, но при этом взрыв не происходит, потому что скорость горения и распространения пламени замедляются.
При использовании изобутена в количестве более 2,5 об.%, а пропена - соответственно 3,5 об.% воспламенение и взрыв полностью исключаются. Избыток ингибитора не улучшает служебных характеристик водородовоздушных смесей и является балластом.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Выбор изобутена и пропена в качестве ингибитора горения определен сходством их химической активности по эффективному прерыванию реакционных цепей горения за счет динамичного перехватывания атомарного водорода, предотвращая тем самым лавинообразное размножение активных частиц:
4
8
2
4
7
Н+i-CH=H+i-CH
3
6
2
3
5
Н+i-СН=Н+i-CH
4
7
3
5
Замена химически активного атома Н на радикалы «i-CH» и «i-СН» равносильно обрыву реакционной цепи, поскольку этот радикал не способен своими реакциями регенирировать активную частицу.
Таким образом, осуществляется химическое управление процессом горения посредством малых добавок газового углеводородного ингибитора.
Механизм воспламенения и горения представляет собой процесс образования и размножения активных промежуточных частиц: атомов и осколков молекул, которые многократно стремительно взаимодействуют с исходными реагентами. Расходование исходных реагентов приобретает лавинный характер, то есть цепное воспламенение.
Цепной механизм газофазного горения происходит при любом эндогенном горении самоускоряющегося химического процесса за счет положительной обратной связи скорости реакции и выделяющегося тепла, разогревающего смесь, в результате чего скорость реакции превосходит скорость теплоотвода и ускорение тепла приобретает лавинный характер - происходит тепловой взрыв.
Цепная реакция гибели активных промежуточных частиц, которая обеспечивается химически активным реакционным ингибитором, конкурирует с их размножением за счет разветвления обрыва реакционных цепей, в результате чего подавляется горение и предотвращается детонация.
Процесс ингибирования водородовоздушных смесей отрабатывался в реакторе, выдерживающем давление до 100 атм, который снабжен фотодиодом для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления для регистрации взрыва.
Рабочие газовые смеси, содержащие углеводородный ингибитор, водород и воздух, приготавливали последовательным напуском непосредственно в реакторе. Реактор предварительно вакуумировали до давления 0,4 Па, а затем последовательно напускали в заданных объемах изобутен или пропен, водород и воздух, контролируя их количество по парциальным давлениям.
Поджиг приготовленной газовой смеси проводили при помощи искрового источника, размещенного внутри реактора, раскаленной проволокой, а также открытого огня пламени горелки.
Воспламенение газовой смеси регистрировали по свечению пламени визуально и с использованием фотодиода, а также по скачку давления и расходованию реагентов.
Оптимальное количественное содержание предложенных ингибиторов горения водородовоздушных смесей, в которых водород содержится 30-40 об.%, был установлен экспериментально и ограничен соответственно 2 и 3 об.%.
Характерные соотношения водорода и ингибиторов в водородовоздушных смесях, а также полученные при этом показатели назначения приведены в Таблицах 1 и 2.
Таблица 1
водород, об.%
30
35
40
пропен, об.%
2,5
3,0
3,5
2,5
3,0
3,5
2,0
2,5
3,0
Воспламенение +/-
+
+
+/-
+/-
-
-
+/-
-
-
Таблица 2
водород, об.%
30
35
40
изобутен, об.%
2,0
2,5
3,0
2,0
2,5
3,0
1,5
2,0
2,5
Воспламенено, +/-
+
+
+/-
+
+/-
-
+/-
-
-
«+» - газовая смесь воспламеняется и горит;
«-» - инициирования воспламенения нет.
Из таблиц 1, 2 следует, что при оптимальном для водородовоздушых смесей наполнения аэростатов, которые включают водород более 35 об.%, введение изобутена в количестве 2 об.%, а пропена - 3 об.% гарантированно предотвращает их воспламенение и, следовательно, предотвращает горение.
Предложенную водородовоздушную смесь, ингибированную изобутеном или пропеном, которая технологически просто приготавливается потребителем смешиванием готовых промышленно выпускаемых компонентов, можно рекомендовать для практического использования в качестве наполнителя для летательных аппаратов легче воздуха.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по энергетике, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного безопасного использования водородовоздушной смеси, ингибированной изобутеном или пропеном, по назначению, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.