Двухкомпонентный газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей

Изобретение относится к противопожарным химическим средствам, в частности к газовым составам химически активных веществ, предназначенным для предупреждения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей на промышленных, транспортных и бытовых объектах. В качестве ингибитора состав содержит трифторметан химической формулы CHF₃ в соотношении к диоксиду углерода как 1:3, при условии введения ингибитора в защищаемый объем не менее 5,5 об.%. Газовый состав обеспечивает гарантированное предотвращение воспламенения и взрыва метановоздушных смесей в закрытых объемах, помещениях при всех концентрациях метана в них и от любых средств инициирования. 1 ил.

 

Изобретение относится к противопожарным химическим средствам, в частности к газовым составам химически активных веществ, предназначенным для предупреждения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей на промышленных, транспортных и бытовых объектах.

Уровень данной области техники характеризует двухкомпонентный газовый состав, описанный в патенте RU 2321437 C1, A62C 3/06, A62D 1/08, 2008 г., который предназначен для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей.

Этот газовый состав содержит ингибитор горения - четыреххлористый углерод, который разбавлен диоксидом углерода, при оптимизированном объемном соотношении: (10-15)% четыреххлористый углерод и (85-90)% диоксид углерода.

Особенностью ингибирования метановоздушных смесей описанным двухкомпонетным газовым составом является введение в защищаемый объем четыреххлористого углерода в количестве 1-3 об.% - вещество, вступающее в химическую реакцию, приводящую к обрыву реакционных цепей процесса горения.

При введении в метановоздушные смеси двухкомпонентного газового состава, содержащего 2 об.% CCl₄ и 15 об.% СО₂, горение становится невозможным.

Однако недостатком описанного двухкомпонентного ингибирующего состава является использование в качестве сильного ингибитора токсичного соединения - четыреххлористого углерода, который ядовит при вдыхании паров, попадании его внутрь организма человека через желудочно-кишечный тракт, при всасывании через кожные покровы и слизистые оболочки.

ПДК паров четыреххлористого углерода в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м³, максимальная разовая доза в атмосфере воздуха - 2 мг/м³, что ограничивает промышленное производство и применение в быту описанного ингибирующего газового состава.

Отмеченный недостаток устранен в двухкомпонентном газовом составе для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей по патенту RU 2368410 C1, A62D 1/06, 2008 г., который содержит ингибитор горения, разбавленный диоксидом углерода.

Известный двухкомпонентный газовый состав характеризуется тем, что в качестве ингибитора он содержит октадекафтордекагидронафталин химической формулы C₁₀F₁₈, при следующем соотношении компонентов, об.%:

октадекафтордекагидронафталин	5,0-7,0
диоксид углерода	93-95

Особенностью известного состава является введение в защищаемый объем указанного ингибитора горения в количестве 0,8-0,9 об.%.

Указанный ингибитор горения торговой марки перфтордекалин нетоксичен, в медицине известен в качестве кровезаменителя «голубая кровь», используется в биологии и косметической промышленности.

Известный газовый состав негорючий и нетоксичный; ингибитор горения служит газопереносчиком, в котором хорошо растворяются кислород и углекислый газ (180 об.%).

Недостатком известного газового состава является неудовлетворительная функциональность из-за расслоения компонентов при хранении по причине большой разницы в плотностях, в результате чего ингибитор оседает на дно технологического сосуда и непосредственно в защищаемом объеме.

Без дополнительного диспергирования компонентов перед экстренным применением по назначению, а также периодической турбулизацией в защищаемом объеме использование неоднородного состава для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей неэффективно.

Общеизвестно, что взрывоопасный диапазон содержания метана в воздухе, при котором происходит воспламенение смеси, составляет от 5 об.% до 14 об.%.

В случае, когда в защищаемый объем из сосуда длительного хранения известного двухкомпонентного газового состава подается только диоксид углерода (при осевшем ингибиторе), взрывоопасный диапазон содержания метана в воздухе сокращается от 5,7 об.% до 8,7 об.%, что не гарантирует надежной защиты помещений, потому что наиболее взрывоопасной является смесь 7,5 об.% метана с воздухом.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание функционально надежного и технологичного, экологически безвредного и эффективно ингибирующе действующего газового состава для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей во всем диапазоне концентраций.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном двухкомпонентном газовом составе для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, включающем ингибитор, разбавленный диоксидом углерода, согласно изобретению в качестве ингибитора содержится трифторметан химической формулы CHF₃ в соотношении к диоксиду углерода как 1:3, при условии введения ингибитора в защищаемый объем не менее 5,5 об.%.

Отличительные признаки, которые характеризуются как качественно новая двухкомпонентная ингибирующая газовая смесь, обеспечили гарантированное предотвращение воспламенения и взрыва метановоздушных смесей в закрытых объемах, помещениях при всех концентрациях метана в них и от любых средств инициирования.

Применение в качестве ингибирующего компонента трифторметана позволяет использовать двухкомпонентную газовую смесь в бытовых условиях эксплуатации метансодержащего оборудования, так как трифторметан в любых количественных содержаниях безвреден для жизнедеятельности людей и не оказывает разрушительного действия на экологию.

Приготовление предложенной газовой смеси технологически просто и осуществляется продувкой мерного объема диоксида углерода через сжиженный трифторметан в барботере, в результате чего происходит смешиваниние компонентов. Образовавшаяся газовая смесь дополнительно насыщается парами трифторметана, формируемыми над поверхностью жидкости в барборере под давлением 3-4 атм до заданной концентрации.

Предложенный ингибирующий состав характеризуется заметным снижением содержания в нем диоксида углерода (более чем вдвое и пятеро, сравнительно с аналогом и прототипом соответственно), при сопоставимом объемном количестве, вводимом в защищаемое помещение для гарантированного предотвращения воспламенения метановоздушных смесей в нем.

Относительное содержание диоксида углерода в ингибирующей газовой смеси, сопоставимой с аналогами рабочего объема, вводимого в защищаемое помещение, кратно снижено, что обусловлено особыми химическими свойствами предложенной смеси.

Это позволяет практически расширить область применения предложенной ингибирующей газовой смеси для защиты бытовых помещений, потому что содержание в ней диоксида углерода в количестве 15 об.% не оказывает заметного влияния на жизнедеятельность человека при кратковременном воздействии в аварийных ситуациях.

Диоксид углерода служит траспортирующим компонентом функциональной смеси, но при этом, обладая большой теплоемкостью, отбирает реактивное тепло, чем способствует ингибированию горения метановоздушных смесей путем увеличения эффективности самого ингибитора, прерывающего развитый цепной процесс воспламенения и взрыва.

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 происходит цепное воспламенение.

Предложенная газовая смесь характеризуется не аддитивным ингибирующим действием структурных компонентов, а заметно большим: по экспоненциальной функции акад. Н.Н.Семенова, определяющей зависимость скорости реакции горения при совместном использовании газов ингибирующей смеси (см., например, журнал «Кинетика и катализ», т.48, №1, с.12, Аветисян А.А., Азатян В.В. и др.).

Кратное повышение эффективности ингибирующего действия смеси двух газов объясняется следующей особенностью. Если ингибирующее действие двух газов определяется х и у, то при использовании их в смеси действие определяется не суммой (х+у), а экспоненциальной функцией ехр (х+у) или то же самое показательной функцией е^(x+y). Это количественно не адекватно сумме ингибирующей способности компонентов, а на порядки больше.

Таким образом, ингибирующее действие трифторметана в присутствии диоксида углерода, в оптимизированном количественном соотношении, на воспламенение метановоздушных смесей увеличивается существенно, что позволяет гарантированно предотвратить воспламенение и взрыв.

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

Н+CHF₃=Н₂+CF₃.

Замена химически активного атома Н на радикал CF₃ равносильна обрыву реакционной цепи, поскольку этот радикал не способен своими реакциями регенерировать активную частицу.

Таким образом осуществляется химическое управление процессом горения посредством малых добавок специальных веществ.

Разветвленный цепной механизм приводит к воспламенению независимо от саморазогрева системы, но в ходе развития цепного механизма выделившееся тепло усиливает его, дополнительно ускоряя процесс. Поэтому, предотвратив цепную лавину, ингибитор устраняет саморазогрев.

Гибель активных промежуточных частиц, которая обеспечивается более химически активным реакционным ингибитором, конкурирует с их размножением за счет разветвления реакционных цепей, в результате чего подавляется горение и предотвращается детонация.

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=H₂O+М.

Таким образом, предложенный игибирующий состав позволяет активно управлять процессом горения за счет незначительной добавки непосредственно в атмосферу защищаемого объема нового газового состава, включающего трифторметан и диоксид углерода в оптимизированном соотношении, чем предотвратить взрыв метановоздушных смесей во всем диапазоне концентраций, что наглядно подтверждается прилагаемым графиком.

На графике (чертеж)представлена полученная экспериментально зависимость воспламенения метановоздушных смесей различной концентрации от изменения доли ингибитора трифторметана в газовой смеси, содержащей диоксид углерода.

Из графика следует, что при увеличении объемной доли ингибитора в двухкомпонентной газовой смеси заметно сокращается взрывоопасный диапазон содержания метана в метановоздушных смесях.

При содержании в ингибирующем газовом составе трифторметана не менее 5,5 об.% полностью исключено воспламенение метановоздушных смесей любой коцентрации и, следовательно, их взрыв.

При содержании в ингибирующей газовой смеси трифторметана в количестве менее 5,5 об.% снижается эффективность основного действия по назначению, так как часть метановоздушных смесей наиболее взрывоопасного содержания метана (в районе 7,5 об.%) могут воспламеняться и взорваться.

Содержание в ингибирующей газовой смеси ингибитора трифторметана более 5,5 об.% является балластным и нецелесообразно, так как не создает дополнительного эффекта по назначению.

Следовательно, каждый существенный признак изобретения необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.

Влияние предложенного двухкомпонентного газового ингибирующего состава на воспламенение и взрыв метановоздушных смесей подробно изучено на составе, рассчитанном по математической модели планирования эксперимента, который содержит компоненты в оптимальном соотношении, об.%: 27 CHF₃ и 73 СО₂. В этом случае минимальное содержание ингибитора трифторметана ограничено 5,5 об.% при разбавлении его 15 об.% диоксида углерода, эффективность действия которого подтверждена экспериментами.

Процесс ингибирования взрывоопасной метановоздушной смеси отрабатывался в сферическом реакторе, выдерживающем давление до 100 атм, который снабжен фотодиодом для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления, а также в испытательном стендовом реакторе объемом 4 м³.

Рабочие газовые смеси, содержащие воздух, метан и ингибирующий газовый состав, приготавливали непосредственно в реакторе. Реактор предварительно вакуумировали до давления 0,4 Па, а затем последовательно напускали в заданных объемах ингибирующий состав, метан и воздух, контролируя их количество по парциальным давлениям.

Поджиг приготовленной газовой смеси проводили при помощи искрового источника, размещенного в реакторе: раскаленной проволокой, а также открытого огня пламени горелки.

Воспламенение газовой смеси регистрировали по свечению пламени (хемилюминесценции) визуально и с использованием фотодиода, а также по скачку давления и расходованию реагентов.

Предложенный газовый состав приготавливают путем смешивания его компонентов по парциальным давлениям в замкнутом сосуде-смесителе. Затем приготовленную смесь с помощью компрессора закачивают в баллон для хранения и использования по назначению.

Приготовленный ингибирующий состав не расслаивается в течение всего срока хранения по надежной защите помещений от воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, особенно на низких концентрациях метана в воздухе, что характерно для шахтных разработок, при утечках метана на станциях перекачки, при его транспортировании и использовании в быту.

Предложенный ингибирующий газовый состав не горюч, не токсичен, может длительно храниться в обычных условиях.

Двухкомпонентный газовый состав по изобретению эффективно ингибирует взрывоопасные метановоздушные смеси как при медленном поступлении в атмосферу метана, так и при лавинных его выбросах при авариях и добыче угля в шахтах.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по чрезвычайным ситуациям, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного использования двухкомпонентного ингибирующего газового состава для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей в шахтах, при их хранении и перевозках, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Двухкомпонентный газовый состав для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушных смесей, включающий ингибитор, разбавленный диоксидом углерода, отличающийся тем, что в качестве ингибитора он содержит трифторметан химической формулы CHF₃ в отношении к диоксиду углерода как 1:3 при условии введения в защищаемый объем не менее 5,5 об.%.