ингибитор для предотвращения воспламенения и взрыва водородно-воздушных смесей

Формула изобретения

Применение смеси алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 6 в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородно-воздушных смесей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается пожаро- и взрывобезопасности, относится к газофазным ингибиторам для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей и может быть использовано в процессах получения, хранения, транспортировки и применения водорода, в том числе в процессе электролиза или при конверсии природного газа, в летательных аппаратах (дирижаблях, воздушных шарах и т.п.) использующих водород в качестве наполнителя и др.

Известно применение газовых инертных разбавителей (СО₂ и N₂) для объемного тушения пожаров [1] Объемное тушение основано на создании в защищенном объекте среды, не поддерживающей горения, и является одним из наиболее эффективных способов пожарной защиты помещений.

Недостатком этих инертных разбавителей является то, что они практически не могут быть использованы для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, так как не обладают ингибирующими свойствами и малоэффективны.

Известно применение галогенуглеводородов, представляющих собой бром, фтор, хлорпроизводные насыщенных углеводородов (татрафтордибромэтан, трифторбромметан, дифторхлорбромметан и др.), в качестве газофазных ингибиторов для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей [2]

Недостатками ингибиторов на основе галогенуглеводородов, которые приняты за прототип, являются:

химическая агрессивность ко многим материалам, в том числе к резине, полиэтилену и металлам. Особенно сильно коррозионное действие хладонов и продуктов их превращений в присутствии влаги, образующейся при горении водорода и водородсодержащих соединений;

токсичность как самих хладонов, так и продуктов их превращений, особенно сильная ядовитость у таких продуктов окисления хладонов, как фосген и фторфосген;

сильное отрицательное воздействие хладонов и продуктов их превращений на окружающую среду (разрушение озонового слоя атмосферы);

высокая стоимость и большие весовые расходы;

недостаточно высокая ингибирующая способность.

Задачей изобретения является получение такого ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, который при малых стоимости и расходе обладал бы более высокой ингибирующей способностью, меньшей химической агрессивностью и токсичностью и большей экологичностью в сравнении со всеми известными газофазными ингибиторами.

Указанная задача решается тем, что в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей применяют смесь алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 6.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей может быть использован природный газ, например баллонный бытовой газ, который в своем составе содержит смесь легких алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 2 до 4 [3]

Предлагаемый ингибитор может быть получен путем смешения исходных алканов и алкенов и использован в виде технических продуктов, содержащих в своем составе указанную смесь.

Указанные смеси предельных и непредельных легких углеводородов (С₁-С₆) известны как горючие вещества и использовались ранее как топливо. Использование этих смесей в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей ранее не предлагалось и не очевидно для специалистов в данной области.

Применение смеси алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 6 в качестве ингибитора позволяет резко снизить стоимость ингибитора. При этом ни сами используемые смеси легких предельных и непредельных углеводородов, ни продукты их сгорания не являются химически агрессивными или токсичными. Продукты их окисления не оказывают столь вредного воздействия на окружающую природу, включая верхние слои атмосферы, по сравнению с хладонами и продуктами их превращения.

Предлагаемая в качестве ингибитора смесь алканов и алкенов может быть использована для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушной смеси во всем диапазоне взрывоопасных составов от нижнего концентрационного предела (4 об.) до верхнего (75 об.) при количестве ингибитора от 0,3 до 10 об. Варьированием содержания ингибитора удается также управлять кинетикой горения в тех случаях, когда не ставится цель предотвратить воспламенения, но ставится цель предотвратить переход горения во взрыв.

Использование в составе предлагаемого ингибитора более тяжелых углеводородов с числом атомов углерода в молекуле более 6 нецелесообразно, так как при нормальных условиях давление насыщенных паров этих углеводородов крайне низко и они не могут входить в состав газофазного ингибитора. Влияние предлагаемого ингибитора на воспламенение водородовоздушных смесей изучалось в цилиндрическом реакторе, способном выдерживать давление до 100 атм и изготовленном из нержавеющей стали марки 1х18Н9Т. Внутренний диаметр реактора 9,0 см, высота 30,0 см. Реактор снабжен специальным окошечком для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления ЛХ 608 с термостатированной, коррозионно-стойкой мембраной для регистрации изменения давления, происходящего в результате реакции.

Воспламенение регистрировали по свечению пламени (хемилалюминесценции) визуально и с использованием фотодиода ФД-24 (диапазон длин волн 470-1120 нм), а также по скачку давления и расходованию реагентов. Установка позволяет также отбирать пробы из реактора для анализа с целью определения степени расходования реагентов в результате горения. Анализ газа проводили с использованием хроматографа.

Рабочие газовые смеси, содержащие водород, воздух и ингибитор, составляли непосредственно в реакторе. Перед напуском газов реактор вакуумировали до давления 0,4 Па. Затем в реактор последовательно напускали ингибитор, водород и воздух, контролируя их количества по парциальным давлениям. В зависимости от интервала давлений измерения проводили с помощью образцового манометра, образцового вакуумметра, механотрона (4МХД-ЛМ), вакуумметра ВИТ-1.

Поджиг газа проводился с помощью импульсно-раскаленной спирали, помещенной у нижнего торца реактора. Длина нихромовой проволоки спирали 30 см, диаметр 0,8 мм. Нагрев проволоки проводился импульсом электрического тока с использованием конденсаторной батареи. Начальное напряжение 36 В, сопротивление 0,6 Ом. Время максимального разогрева проволоки не превышает 0,2 с. Показателем достаточной мощности поджигающего импульса являются неизменность воспламеняемости смесей при дальнейшем повышении мощности, совпадение определенных концентрационных пределов воспламенения смесей водорода с воздухом без ингибитора с хорошо известными в литературе (4 и 75 об.), а также пределов воспламенения водородовоздушных смесей в присутствии различных количеств хладона 114 В2 с литературными данными.

В таблице приведены результаты изучения влияния смесей алканов и алкенов различного состава на воспламеняемость водородовоздушных смесей, полученные с помощью описанного выше реактора.

При содержании ингибитора I более 9 об. ингибитора II более 10 об. или ингибитора III более 7 об. любая смесь Н₂ + О₂ становится невоспламеняемой.

Из приведенных в таблице данных видно, что с использованием смеси алканов и алкенов в качестве ингибитора сильно подавляется воспламеняемость водородовоздушных смесей. Например, ингибитор состава I в количестве 2,0 об. снижает верхний концентрационный предел воспламеняемости с 75% Н₂ до 46% т. е. сужает область воспламенения почти в два раза. В количестве же большем 9 об. ингибитор предотвращает воспламенение и взрыв водородовоздушных смесей любого состава. Аналогично по действию применение ингибиторов состава II и III, а также других смесей алканов и алкенов, испытанных в описанном реакторе.

Ингибитор не только подавляет воспламенение. В тех суженных ингибитором интервалах составов водородовоздушных смесей, в которых благодаря малым количествам ингибитора удается воспламенить смесь, горение протекает намного слабее, чем в отсутствие ингибитора. Проявляется это как в значительно меньших скачках давления при воспламенении, так и в меньших степенях расходования водорода и кислорода.

Наглядное представление об активном действии предлагаемого ингибитора на воспламеняемость водородовоздушных смесей дают представленные на чертеже кривые концентрационных пределов воспламеняемости водородовоздушных смесей с применением предлагаемого ингибитора различного состава (I, II, III) и известного ингибитора (хладона).

Как видно из представленных кривых, ингибирующая способность предлагаемого ингибитора значительно превосходит ингибирующую способность известного ингибитора. При сравнении весовых расходов с учетом молекулярных весов сравниваемых ингибиторов преимущество предлагаемого ингибитора еще более ощутимо.

Применение смеси алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 6 в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей позволяет резко (в сотни раз) снизить стоимость ингибитора и в десятки раз весовой его расход. При этом сам ингибитор и продукты его сгорания не проявляют химической агрессивности по отношению к любым материалам и не являются токсичными. Кроме того, предлагаемый ингибитор и продукты его сгорания не оказывают столь вредного воздействия на окружающую среду, какое оказывают известные галогенуглеводородные ингибиторы (хладогены). В частности они не оказывают разрушающее воздействие на озоновый слой атмосферы. Предлагаемый ингибитор обладает более высокой ингибирующей способностью в сравнении с известными газофазными ингибиторами.