состав для предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей

Формула изобретения

1. Состав для предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, преимущественно водородо- и метановоздушных, включающий ингибитор, выбранный из ряда, по меньшей мере одного углеводорода, содержащий 2 - 8 атомов углерода в молекуле, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один фторсодержащий хладон из ряда трифторметан, трифторхлорметан, трифториодметан, пентафторэтан, гептафторпропан, гексафторпропан, перфторбутан, перфторгексан, октафторциклобутан, пентафториодэтан, преимущественно перфторбутан, при следующем соотношении компонентов, об.%:

Ингибитор - 1 - 60

Указанный фторсодержащий хладон - 40 - 99

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит преимущественно 58,3 - 85% указанного хладона.

3. Состав по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он из ряда хладонов содержит преимущественно перфторбутан.

4. Состав по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он в качестве углеводорода содержит смесь предельных и непредельных углеводородов, преимущественно пропана, бутана и пропилена.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, а именно водородовоздушной или метановоздушной смеси, в частности к составам, и может быть использовано в горной промышленности, преимущественно в угольной, для предотвращения катастроф за счет взрыва метановоздушной смеси в выработанном пространстве, для предотвращения взрыва водородовоздушных смесей, а также в области производства водорода, метана и других областях, связанными либо с производством водорода и метана, либо с их использованием.

Известен способ предотвращения взрыва метаноугольновоздушной смеси, путем поджигания метаноугольновоздушной смеси на самой ранней стадии ее поступления в шахту, используя систему инициаторов зажигания, которую располагают вдоль продольной оси участка шахты и включают до поступления в шахту метаноугольновоздушной смеси, при этом после включения инициаторы зажигания функционируют постоянно во времени (патент России N 2129211, E 21 F 5/00, Б. И. N 11, 20.04.99). В качестве инициатора зажигания используют керосиновую или масляную лампу, электроспираль или нить накаливания.

Изобретение эффективно как при достаточно медленном поступлении метана в шахту, так и при выбросах метана, однако ограничением способа является невозможность предотвращения взрыва при возникновение пожара в местах выброса метана.

Известен способ профилактики и тушения эндогенного пожара в выработанном пространстве шахты, включающий приготовление огнегасительной смеси в виде устойчивого аэрозоля из смеси паров бромистого этилена и тетрафтордибромэтана - ТФДБЭ, при этом огнегасительная смесь подается в выработанное пространство снизу вверх после достижения уравненного давления воздуха (авторское свидетельство СССР N 861646, E 21 F 5/00, A 62 D 1/00, 1981). Высокая токсичность паров бромистого этила и тетрафтордибромэтана ограничивает использование способа.

Известен ингибитор для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, содержащий смесь алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 6, например баллонный газ (патент РФ N 2042366, A 62 D 1/00, 1995). Ингибитор позволяет снизить верхний концентрационный предел взрыва водородовоздушных смесей с 75 до 46 об.% по водороду, при содержании ингибитора состава: 17% C₃H₈ + 38% C₄H₁₀ + 20% C₃H₆ + 25% C₄H₈, в количестве 2 об. % относительно водородовоздушных смесей и до 20% при содержании его в количестве 6 об.%; до 13% при использовании ингибитора состава: 80% C₆H₁₄ + 20% C₆H₁₂ в количестве 6 об.%, т.е. сделать водородовоздушные смеси не опасными для хранения, транспортировки и использования.

Известный ингибитор недостаточно эффективен в области низкого содержания водорода в водородовоздушной смеси и для предотвращения взрыва метановоздушных смесей.

Наиболее близким к заявляемому является способ предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей с использованием ингибитора, в качестве которого используют по крайней мере один углеводород нормальной, циклической или изоструктуры, содержащий в молекуле от одного до восьми атомов углерода, при этом концентрация ингибитора находится в пределах 0,1 - 15,5 об. % относительно водородовоздушных смесей (патент РФ N 2081892, C 09 K 15/04, 1997).

Использование известного ингибитора позволяет снизить верхний концентрационный предел воспламеняемости водорода с 75 до 49 об.% при использовании 2 об. % этилена C₂H₆ и до 30% при его содержании 8 об.% в водородовоздушной смеси; до 45,5 об.% при использовании 3,0 об.% бензола и до 35,5% при содержании его 6,0 об.%; до 41% при содержании 2,0 об.% октана в качестве ингибитора и до 29,5% при его содержании 6,0 об.%.

Общим недостатком двух последних известных ингибиторов является недостаточно высокая ингибирующая способность относительно метановоздушных смесей.

Основным недостатком прототипа является то, что ингибитор сильно понижает нижний концентрационный предел распространения пламени водородовоздушной смеси, т.е. при подаче в защищаемый объем может перевести негорючую водородовоздушную смесь в разряд горючих, например, смесь 1 об.% водорода и 99 об.% воздуха не горит, а при добавлении в нее 4 об.% этана смесь становится горючей.

Задачей изобретения является создание универсального безопасного состава для предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, преимущественно водородо- и метановоздушных смесей, снижение расхода ингибитора и повышение его ингибирующей способности.

Задача достигается тем, что состав для предотвращения воспламенения и взрыва горючих смесей, преимущественно водородо- и метановоздушных смесей, содержит ингибитор, выбранный из ряда по меньшей мере одного углеводорода, содержащий от двух до восьми атомов углерода в молекуле, в количестве 1 - 60 об. % и 40 - 99 об.%, преимущественно 58,3 - 85 об.%, по крайней мере одного соединения, выбранного из ряда фторсодержащих хладонов: трифторметан, трифторхлорметан, трифториодметан, пентафторэтан, гептафторпропан, гексафторпропан, перфторбутан, перфторгексан, октафторциклобутан, пентафториодэтан, преимущественно перфторбутан, при этом в качестве углеводорода состав содержит, преимущественно, смесь предельных и непредельных углеводородов, преимущественно, пропана, бутана и пропилена.

Используемые в составе углеводороды могут быть использованы в любом соотношении между собой, если это касается смесей. Из ряда предельных углеводородов, наиболее используемыми являются: этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан и их изомеры. Из ряда непредельных углеводородов преимущественно используют диеновый ряд указанных углеводородов.

Исследования показали, что увеличение содержания хладона выше 85 об.% повышает стоимость состава, однако повышает нижний предел воспламеняемости горючих смесей, что является положительным эффектом.

Предложенный состав получают путем смешения его компонентов по их парциальным давлениям (по об.%) в замкнутом сосуде. Приготовленную таким образом смесь с помощью компрессоров закачивают в баллон высокого давления для хранения и использования.

Влияние заявленного состава на воспламенение и взрыв горючих смесей: водородовоздушной и метановоздушной подробно представлено на составе, содержащем 41,7 об. % углеводорода, содержащем: (17% пропилена + 41% бутана + 42% пропана) - фирменная марка "АКАМ" и 58,3 об.% перфторбутана в широком интервале концентраций состава (от 1 до 11,0 об.% содержания состава в горючих смесях).

Процесс изучали в сферическом реакторе объемом 4,4 дм³, способном выдерживать давление до 100 атм и изготовленном из нержавеющей стали. 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 или метан, воздух и ингибитор, составляли непосредственно в реакторе. Перед выпуском газов реактор вакуумировали до давления 0,4 Па, затем в реактор последовательно напускали состав, водород или метан и воздух, контролируя их количество по парциальным давлениям. В зависимости от интервала давления измерения проводили с помощью образцового манометра, вакуумметра, механотрона.

Поджиг газа проводили при помощи искрового источника зажигания, расположенного в центре реактора.

Для лучшего понимания изобретения приводятся конкретные примеры, сведенные в таблицах 1 - 3.

В таблицах 1 и 2 указано содержание компонентов: водород или метан, воздух и заявленный состав, способность к воспламенению, концентрационные пределы - верхний и нижний. Знаком "+" показано воспламенение по всему объему камеры и знаком "-" - отсутствие воспламенения и в скобках верхний предел - воспламенения горючей смеси.

В таблице 1 представлены результаты влияния состава: ингибитор 41,7 об.% АКАМ и 58,3 об.% хладона-перфторбутана на воспламеняемость водородовоздушных смесей.

Из приведенных в таблице 1 данных видно, что с использованием указанного состава эффективно подавляется воспламенение и взрыв водородовоздушной смеси. Так использование указанного состава в количестве 2,0 об.% относительно водородовоздушной смеси, снижает верхний концентрационный предел воспламеняемости с 75% по водороду до 41 об.%; при содержании состава в количестве 4 об. % верхний концентрационный снижается до 31 об.%; при содержании от 9 до 11 об. % заявляемый состав предотвращает воспламенение и взрыв водородовоздушной смеси во всем концентрационном интервале.

В таблице 2 представлены результаты влияния состава: ингибитор 41,7 об.% "АКАМ и 58,3 об.% хладона-перфторбутана на воспламеняемость метановоздушной смеси.

Как следует из данных таблицы 2, использование заявленного состава для предотвращения воспламенения и взрыва метановоздушной смеси, при содержании его не более 6 об.% позволяет снизить верхний концентрационный предел воспламеняемости до 7,75 об.% содержания метана в метановоздушной смеси, т.е. почти в два раза (взрывоопасный предел лежит в области 5,25-14,8% содержания метана в воздухе). При содержании состава не более 7 об.% в метановоздушной смеси, наблюдается полное предотвращение воспламенения и взрыв метановоздушных смесей любого состава. Следует отметить, что газовоздушная смесь с концентрацией метана 9,5-12,3 обладает наибольшей энергией взрыва. Добавление даже 2 об. % состава предотвращает опасность воспламенения и взрыва таких смесей, снижая верхний концентрационный предел до 5 об.%, т.е делает ее безопасной, что особенно важно при разработке угольных пластов.

Использование состава, содержащего 99 об.% гексафторпропана и всего 1 об. % АКАМ в количестве 1 об.% относительно метановоздушной смеси, снижает концентрационный предел метана до 5% и делает горючую смесь безопасной.

Исследование других составов, заявленных в формуле, а именно использование 40-85,0 об.% хладонов из ряда трифторметан, трифторхлорметан, трифториодметан, пентафторэтан, гептафторпропан, гексафторпропан, перфторгексан, октафторциклобутан, пентафториодэтан в сочетании с 15-40 об.% непредельного углеводорода, преимущественно с пропиленом или бутиленом, или в сочетании с предельным углеводородом, преимущественно с пропаном или бутаном, также показали высокие результаты, как для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, так и метановоздушных смесей.

Результаты использования других составов представлены в таблице 3 с указанием заявленного состава и верхнего концентрационного предела по водороду и метану.

Как видно из представленных данных таблиц 1-3, предложенный состав является более эффективным по сравнению с известным рядом индивидуальных ингибиторов, как для предотвращения воспламенения и взрыва водородовоздушных смесей, так и метановоздушных смесей.

Заявляемый состав является особенно эффективным для предотвращения взрыва и воспламенения метановоздушных смесей и является совершенно безопасным при использовании его в области нижнего концентрационного предела водорода и метана.

Заявляемый состав является негорючим при хранении, транспортировке и может храниться при обычных условиях долгое время.

Безопасность заявляемого состава и его высокая эффективность позволяют использовать его для предотвращения взрыва в шахтах как при медленном, так быстром поступлении метана, а также в области производства и использования водорода и метана.