способ предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей

Формула изобретения

Способ предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, включающий введение ингибитора или непосредственно в водородовоздушные смеси, или в водород, или воздух до образования этих смесей, отличающийся тем, что в качестве ингибитора используют углеводород нормальной, или циклической, или изоструктуры, содержащий в молекуле 1 8 атомов углерода, или смеси этих углеводородов, при этом концентрация ингибитора находится в пределах 0,1 15,5 об.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности, а более точно касается способа предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей.

Данное изобретение может быть широко использовано при получении, хранении, транспортировке водорода, в производствах, связанных с образованием водорода в качестве основного и/или побочного продукта, в химических производствах, связанных с использованием водорода в качестве исходного реагента: процессы гидрирования, различные синтезы. Также данное изобретение может быть использование в энергетических установках и других системах, использующих водород в качестве горючего, легкого наполнителя, например в летательных аппаратах, зондах, дирижаблях, воздушных шарах, а также в системах, использующих водород в качестве охлаждающего газа, в частности в больших турбогенераторах.

В настоящее время известны способы для объемного тушения пожаров за счет использования газовых инертных разбавителей (CO₂ и N₂) (Справочник "Пожарная безопасность. Взрывобезопасность", М. "Химия", 1987. с. 134-137). Объемное тушение пожаров основано на создании в защищенном объекте среды, не поддерживающей горения, и является одним из наиболее эффективных, способов пожарной защиты помещений. Однако газовые инертные разбавители, используемые иногда для объемного тушения пожаров, крайне не эффективны особенно при применении для предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей, так как не обладают ингибирующими свойствами.

Известен способ предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей, заключающийся в том, что ингибитор вводят в водород или воздух до образования водородо-воздушных смесей, или непосредственно в водородо-воздушные смеси. Причем в качестве газофазных ингибиторов используются галогенуглеводороды, представляющие собой бром- фтор- и хлорпроизводные насыщенных углеводородов (татрафтордибромэтан, трифторбромметан, дифторхлорбромметан и др.). (Кинетика и катализ, том 15, вып. 1, 1974, Азатян В.В. и другие "К тушению пламени смеси водорода с воздухом в области полуострова воспламенения малыми добавками C₂F₄Br₂", с. 228). Однако ингибиторы, используемые в данном способе, являются химически агрессивными ко многим материалам, в том числе к резине, полиэтилену, металлам. Особенно сильно коррозионное действие хладонов и продуктов их превращений в присутствии влаги, образующейся при горении водорода и водородсодержащих соединений. Как указанные выше ингибиторы, так и продукты их превращений токсичны. Особенно сильная ядовитость у таких продуктов окисления хладонов, как фосген и фторфосген. При этом способе сказывается сильное отрицательное воздействие хладонов и продуктов их превращений на окружающую среду (разрушение озонового слоя атмосферы). Кроме того, при применении указанного способа предотвращения воспламенения и взрыва водородно-воздушных смесей расходуется большое количество (особенно по весу) ингибитора, обладающего недостаточно высокой ингибирующей способностью и большой молекулярной массой.

В основу изобретения положена задача создания способа предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей, который позволил бы за счет меньшего количества ингибитора, обладающего более высокой ингибирующей способностью, меньшей химической агрессивностью и токсичностью, устранить воспламеняемость и возможность взрыва водородо-воздушных смесей, и был бы экологически безопасным.

Поставленная задача решается тем, что в способе предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей, заключающемся в том, что ингибитор вводят в водород или воздух до образования водородо-воздушных смесей, или непосредственно в водородо-воздушную смесь, согласно изобретению, в качестве ингибитора используют, по меньшей мере, один углеводород нормальной или циклической, или изоструктуры, содержащей в молекуле атомы углерода от одного до восьми, или их смеси, причем концентрация ингибитора находится в пределах от 0,1 до 15,5 об.

Указанные легкие углеводороды (от C₁ до C₈) известны как горючие вещества и использовались, например, как топливо. Применение этих смесей как ингибиторов для предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей ранее не предлагалось. Применение предельных и непредельных углеводородов и их смесей с числом атомов углерода в молекуле от одного до восьми в качестве ингибитора позволяет значительно снизить стоимость ингибиторов по сравнению со стоимостью ныне используемых хладонов. При этом ни сами смеси углеводородов, ни продукты их сгорания не являются химически агрессивными или токсичными. Продукты их окисления практически не оказывают вредного воздействия на окружающую природу, включая верхние слои атмосферы по сравнению с хладонами и продуктами их превращения. Предлагаемый ингибитор в данном способе может быть использован для предотвращения и сильного уменьшения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей практически 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 воспламенение, но ставится цель предотвратить переход горения во взрыв. При наличии ингибиторов существенно сокращается спектр возможных источников поджига горючей смеси в результате того, что требуется значительно большие мощности инициирования горения. При наличии ингибиторов в очень малых количествах, не способных полностью предотвратить воспламенение, замедляется скорость горения, в том числе распространения пламени. Использование в составе предлагаемого ингибитора более тяжелых углеводородов с числом атомов углерода в молекуле более восьми нецелесообразно, так как при нормальных условиях давление насыщенных паров этих углеводородов крайне низко и они не могут входить в состав газофазного ингибитора.

Данный способ предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей экологически безопасен и позволяет устранить воспламеняемость и возможность взрыва водородо-воздушных смесей.

Способ предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей прост в технологическом исполнении и осуществляется следующим образом.

Способ предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей заключается в том, что традиционным способом ингибитор вводят или в водород, или в воздух до образования водородо-воздушных смесей, или непосредственно в водородо-воздушные смеси. В качестве ингибитора используют, по меньшей мере, один углеводород нормальной или циклической, или изоструктуры, содержащий в молекуле атомы углерода от одного до восьми, или их смеси, причем концентрация ингибитора находится в пределах от 0,1 до 15,5 об.

Влияние предлагаемого ингибитора на воспламенение водородо-воздушных смесей изучалось в цилиндрическом реакторе, способном выдерживать давление до 100 атм и изготовленном из нержавеющей стали. Внутренний диаметр реактора

9,9 см, высота 30,0 см. Реактор снабжен специальным окошечком для регистрации воспламенения по хемилюминесценции и датчиком давления с термостатированной, коррозионно-стойкой мембраной для регистрации изменения давления, происходящего в результате реакции.

Воспламенение регистрировали по свечению пламени (хемилюминесценции) визуально и с использованием фотодиода, 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 выпуском 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 вакууметра, механотрона, вакууметра.

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 нами концентрационных пределов воспламенения смесей водорода с воздухом без ингибитора с хорошо известным в литературе (4 об. и 75 об.), а также пределов воспламенения водородо-воздушных смесей в присутствии различных количеств хладона с литературными данными.

Для лучшего понимания настоящего изобретения приводятся следующие конкретные примеры:

Примеры 1-6, 7-16, 17-29, 30-38, 39-44, 45-50 приведены в таблицах 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответственно. В таблицах 1, 2, 3, 4, 5, 6 приведены результаты влияния углеводородов различного состава на воспламеняемость водородо-воздушных смесей, полученные с помощью описанного выше реактора. Также в таблицах указано содержание компонентов: водород, воздух, ингибитор, способность к воспламенению, концентрационные пределы верхний и нижний, состав ингибитора. Знаком "+" показано воспламенение по всему объему камеры и знаком "-" отсутствие воспламенения.

Из приведенных в таблицах данных видно, что с использованием смеси углеводородов в качестве ингибитора сильно подавляется воспламеняемость водородо-воздушных смесей. По своему воздействию углеводороды с изоструктурой лишь не намного эффективнее, чем углеводороды с нормальной структурой.

Ингибитор шестого состава в количестве 2,0 об. снижает верхний концентрационный предел воспламеняемости с 75% H₂ до 41% то есть сужает область воспламенения почти в два раза. В количестве же большом 9% ингибитор предотвращает воспламенение и взрыв водородо-воздушных смесей любого состава. Аналогично по действию применение ингибитора третьего состава, а также других смесей углеводородов, испытанных в описанном реакторе.

Ингибитор не только подавляет воспламенение. В тех суженных ингибитором интервалах составов водородо-воздушных смесей, в которых удается воспламенить смесь лишь благодаря тому, что количество ингибитора мало, 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.

Ингибирующая способность предлагаемого ингибитора значительно превосходит ингибирующую способность известных ингибиторов. При сравнении весовых расходов с учетом молекулярных весов сравниваемых ингибиторов преимущество предлагаемого ингибитора еще более ощутимо.

Таким образом, применение смеси углеводородов с числом атомов углерода в молекуле от одного до восьми в качестве ингибитора для предотвращения воспламенения и взрыва водородо-воздушных смесей позволяет значительно (в сотни раз) снизить стоимость ингибитора и до десяти 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 в данном способе ингибитор и продукты его сгорания не оказывают столь вредного воздействия на окружающую среду, какое оказывают известные галонуглеводородные ингибиторы (хладогены). В частности они не оказывают разрушающее воздействие на озоновый слой атмосферы. И наконец, предлагаемый в данном способе ингибитор обладает более высокой ингибирующей способностью в сравнении с известными газофазными ингибиторами.