ГАЗОВЫЙ СОСТАВ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ВЗРЫВА МЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
GAS COMPOSITION FOR PREVENTING INFLAMMATION AND EXPLOSION OF METHANE-AIR MIXTURE

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).
3
3
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/м, в атмосфере воздуха максимальная разовая доза 2 мг/м. 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.
10
18
Указанный технический результат достигается тем, что газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей содержит в качестве ингибитора горения октадекафтордекагидронафталин формулы CF, 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.%.
2
2
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 O и СО 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:
10
18
10
17
Н+CF=HF+CF.
10
17
Замена химически активного атома Н на радикал CF 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:
2
2
Н+O+М=НO+М.
-3
-2
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 торр. Давление добавки измеряли вакуумметрами ВДГ-1, а остаточное давление - ВИТ-2 соответственно. Эксперименты проводили следующим образом. В откачанный до 10 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.
4
Аналогичные результаты были получены при замене чистого метана на природный газ, который содержал 98% СН 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
СO<sub>2</sub>, 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