ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2010, том 29, № 1, с. 64-69
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.46:614.842
СИНЕРГИЗМ И АНТАГОНИЗМ В СМЕСЯХ ПОРОШКОВЫХ ИНГИБИТОРОВ В ПРОПАНОВОЗДУШНЫХ ПЛАМЕНАХ
© 2010 г. Е. В. Анцупов
Институт проблем горения, Алма-Ата Е-та11:ап1зироу07@гатЬ1ег.ги Поступила в редакцию 04.09.2008
Приведен экспериментальный материал по огнетушащей способности многокомпонентных смесей порошковых ингибиторов, используемых для тушения пропано-воздушных пламен. Показано, что смеси, обладающие синергизмом и высокой огнетушащей способностью, могут быть использованы в качестве активного компонента в огнетушащих порошках (смеси карбоната калия с фторидом натрия или с гидрокарбонатом натрия). Проанализирован подбор веществ в многокомпонентных смесях с целью получения эффективных ингибиторов горения.
ВВЕДЕНИЕ
Данные, приведенные в литературе по ингиби-рованию пламен, обычно относятся к индивидуальным веществам. К сожалению, они слабо коррелируют между собой, так как экспериментальные методики отличаются друг от друга и не везде приведены условия проведения эксперимента. В некоторых работах исследуется флегматизация пламен, которая не совсем точно моделирует процессы, происходящие при тушении пламен.
Дальнейшее усиление ингибирующей способности порошков возможно при использовании многокомпонентных смесей ингибиторов. При использовании бинарных и многокомпонентных ингибиторов возможно усиление (синергизм), ослабление (антагонизм) и аддитивное их действие на пламена [1].
В литературе имеется сравнительно немного работ по экспериментальному изучению неаддитивного воздействия смесей порошковых ингибиторов на пламена (например, [1—4]). Эффективные ингибиторы тушения пламен могут быть применены для разработки огнетушащих порошковых составов.
В данной работе приведены результаты измерений огнетушащей способности многокомпонентных ингибиторов, используемых для тушения пропановоздушного пламени. Данные по бинарным смесям (соотношение 1 : 1) были рассмотрены ранее в работе [5].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Изучение ингибирования пропановоздушных пламен неорганическими солями и их многокомпонентными смесями проводили на установке, состоящей из бунзеновской горелки и системы подачи в горелку порошков и газов. Горелка была
выполнена из трубки молибденового стекла длиной 400 мм, диаметром 10 мм, диаметр сопла — 8 мм. Она помещена в защитный экран, изготовленный из стеклянной трубки с внутренним диаметром 30 мм (рис. 1).
В область между горелкой и защитным экраном подавали дополнительный поток воздуха, который устранял влияние восходящих конвективных потоков на стабилизацию пламени горелки. Расход дополнительного потока подбирался таким образом, чтобы геометрические размеры светящегося конуса фронта пламени сохранялись постоянными при любом расположении горелки.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — эжектор, 2 — газовоздушная смесь, 3 — горелка, 4 — дополнительный поток воздуха, 5 — защитный экран.
2
4
4
5
Горелка была установлена вертикально соплом вниз, для того чтобы вся масса введенного порошка попадала непосредственно в пламя. Порошок, состоящий из смеси неорганических солей, подавался в предварительно перемешанный газовоздушный поток через эжектор. Объем конуса пламени был около 170 мм3.
Порошковые смеси при проведении экспериментов вводили в горелку со стороны низкотемпературной зоны. Огнетушащий порошок подавался импульсным способом. Минимальное значение тушащей массы, при которой происходило тушение пламени, принималось за огнетушащую способность (ОС) испытываемой порошковой смеси. Тушение пламени определяли визуально. Расход порошка определяли путем взвешивания проб. Ошибка измерений при определении огне-тушащей массы порошка составляла около 20%.
Огнетушащая масса порошков зависит от состава горючей смеси. На рис. 2 приведена зависимость огнетушащей способности серийного порошка ПСБ-3 от коэффициента избытка окислителя (а). Зависимость имеет максимум, который приходится на а = 0.87. При а = 1.0 и 0.65 огнетушащая концентрация ингибитора уменьшается в несколько раз по сравнению с максимумом. Для тушения бедных пламен необходимо меньшее количество ингибитора, чем для богатых пламен. Смещение максимума от стехиометрической смеси, вероятно, обусловлено подсосом воздуха из дополнительного газового потока. В области максимума (от а = 0.85 до а = 0.92) изменение состава горючей смеси приводит к небольшим отклонениям огнетушащей массы порошковых смесей (менее 7%), поэтому в дальнейшем для уменьшения ошибок, которые могут возникать при флуктуациях пламени, был выбран состав горючей смеси с а = 0.87. С увеличением скорости горения возрастает количество порошка, необходимого для подавления пламени.
Приведенные в литературе значения огнетушащей способности некоторых солей в виду отсутствия единообразия методов исследования не возможно сравнить между собой, поэтому были определены тушащие концентрации более 60 индивидуальных веществ.
К индивидуальным веществам и смесям для улучшения их гидрофобных свойств добавляли 1.5—2% модифицированного аэросила АМ-1-300, который образует на защищаемой поверхности "сетчатую" защитную пленку, затрудняет сорбцию воды и контакты между частицами, ведущие к слеживаемости.
Перед экспериментом каждый порошок предварительно просушивали в сушильном шкафу в течение 3 ч при температуре 70—75°С и затем просеивали через сито (размер ячеек — 80 мкм).
15 13 11 9 7 5 3
ОС, мг
0.6
0.7
0.9
1.0
1.1
а
Рис. 2. Зависимость огнетушащей способности порошка ПСБ-3 от коэффициента избытка окислителя.
При аддитивности компоненты смеси воздействуют на пламя независимо друг от друга, поэтому для оценки действия смеси ингибиторов можно использовать соотношение [6]:
1 / т о = а! / т { + а 2 / т 2 + ... + ап / тп
(1)
где т0 и ть тп — огнетушащая масса смеси и массы первого и п-го компонентов смеси, соответственно; аъ ап — доля первого и п-ного компонента в смеси соответственно.
Обозначив левую часть соотношения через Е0, а правую — через Е, введем понятие коэффициента аддитивности:
Кайй = Е0 / Е.
Коэффициент аддитивности показывает, насколько огнетушащая способность смеси солей отличается от аддитивного сложения индивидуальных огнетушащих способностей компонентов смеси. Он равен единице, если происходит аддитивное сложение индивидуальных веществ, входящих в смесь. При синергизме Кас1с1 > 1, при антагонизме КаСС < 1.
Для бинарных смесей
Кайй =
т 1 т 2
т 0 (а 1 т 2 + а 2 т 1)
С учетом ошибок измерения аддитивный характер воздействия ингибиторов можно определять в интервале значений 0.9—1.1 коэффициента аддитивности.
Для определения эффективного действия смесей ингибиторов введем еще один параметр — коэффициент эффективности.
Коэффициент эффективности (Ке^ — это отношение огнетушащей способности лучшего из компонентов смеси к огнетушащей способности самой смеси, т.е. он показывает, насколько эффективно использование огнетушащей смеси по
Рис. 3. Зависимость огнетушащей способности от состава порошковых ингибиторов: 1 — NaF + N^0; 2 — NaF + + Na2SO4; 3 - NaF + К2С03; X - NH4C1, Na2SO4, К2С03 соответственно для кривых 1-3.
отношению к лучшему компоненту смеси. При К^ > 1 смесь будет обладать лучшими показателями, чем индивидуальные компоненты смеси.
Соотношение (1) можно применить для оценки действия многокомпонентных ингибиторов, вводимых в полимеры для снижения горючести. Оценка горючести полимеров обычно проводится по кислородному индексу. В этом случае значения огнетушащих масс нужно заменить на кислородные индексы каждого ингибитора и смеси. При синергизме Кш будет меньше единицы.
На рис. 3 показаны экспериментальные зависимости огнетушащей способности смесей порошковых ингибиторов от процентного соотношения компонент. Рисунок демонстрирует адди-тизм, синергизм и антагонизм смесей. Смесь фторида натрия с хлоридом аммония проявляет антагонизм, фторид натрия с сульфатом натрия — аддитивность, а фторид натрия с карбонатом калия — синергизм.
В табл. 1 приведены результаты измерения огнетушащей способности индивидуальных веществ, а в табл. 2 — ОС многокомпонентных смесей. Из индивидуальных веществ, так же как и в литературе [7, 8], наиболее эффективным является оксалат калия (огнетушащая способность — 2 мг) и его смеси с другими солями. Оксалат калия совместно с гидрокарбонатом натрия также проявляет синергизм [8]. Хорошие показатели при тушении пламен имеют гидрокарбонат калия, карбонат калия, калий натрий карбонат, бромид натрия, С4И406КШ • 4Н20.
По результатам, представленным в табл. 1, можно построить следующие ряды эффективности катионов солей, имеющих одинаковые анионы: К2С2О4 > Ш2С2О4 > РЬС2О4 > (МИ4)2С2О4; К2С03 > Ш2С03 > Li2C03 > СaC03 > РЬС03; ШВг > КВг; KN03>Ba2(N03) > Си^03)2; СиС1 >
> KCl > NaCl > CaCl2; K2SO4 > Na2SO4 > CaSO4 >
> ZnSO4 > BaSO4 > NiSO4.
Ингибирующая эффективность солей с одинаковыми катионами проявляется следующим образом: CaSO4 > CaCO3 > CaCl2 > CaHPO4; NaBr >
> NaF > NaCl; NH4Cl > NH4F; K2C2O4 > KNaCO3 >
> KHCO3 > K2CO3 > KI > KNO3 > KBr > KCl >
> K2SO4 > K2Cr2O7 > KH2PO4; NaBr > Na-лимон-нокислый > NaNO2 > Na-виннокислый >
> NaHCO3 > Na2CO3 > Na2C2O4 > Na2WO4 > NaF >
> NaCl > Na2SO4; (NH4)6Mo7O24 • 4H2O > >NH4H2PO4 > (NH4)3PO4 > NH4VO3 > >(NH4)2HPO4 > (NH4)2Cr2O7 > (NH4)2SO4 >
> NH4Cl > NH4F > (NH4)2C2O4.
Проведенные исследования показали, что наиболее активными смесями, обладающими синергизмом, были те, в которых присутствует оксалат калия. Как видно из таблиц и данных из работы [5], лучшим ингибирующим свойством обладает тройная смесь из оксалатов калия, натрия и парамолибдата аммония (огнетушащая способность — 1.5 мг). Смеси оксалата калия с оксалатом натрия и с хлоридом меди имеют хорошую инги-бирующую способность. Однако добавление оксалата калия в фосфорные и аммонийные удобрения не приводит к синергизму.
Из других смесей лучшую тушащую способность имеет фторид натрия с карбонатом калия (ОС — 2 мг) при соотношении 40% NaF и 60% К2СО3. Она совпадает с ОС оксалата калия. Хороший показатель у К2СО3 + №НСО3 (ОС — 3 мг). Для использов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.