научная статья по теме ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 3, с. 35-42

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 541.126

ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА © 2014 г. Ю. С. Бирюлин2, А. А. Борисов1*, А. Е. Маилков1, К. Я. Трошин1, С. В. Хомик1

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова, Российской академии наук, Москва 2Академия государственной противопожарной службы МЧС России, Москва *Е-таП: borisov@chph.ras.ru Поступила в редакцию 15.07.2013

Определены минимальные энергии инициирования горения газообразного тетрафторэтилена (ТФЭ) при различных начальных давлениях и температурах, а также его смесей с азотом, аргоном и гелием. Исследован переход горения из газовой фазы ТФЭ в жидкую. Показано, что детонацию в жидком ТФЭ возбудить практически невозможно. Бедные пределы детонации и горения смесей ТФЭ—воздух при нормальных условиях составляют 12.2 об. %. Измерены скорости детонации воздушных смесей ТФЭ.

Ключевые слова: тетрафторэтилен, горение, детонация, минимальные энергии зажигания.

БО1: 10.7868/80207401Х1401004Х

Тетрафторэтилен (ТФЭ) — исходный продукт синтеза такого популярного материала, как Тефлон; он производится в промышленных масштабах во всех развитых и развивающихся странах. Соответственно, безопасность хранения, транспортировки и использования тетрафторэтилена представляет огромный интерес для специалистов самого разнообразного профиля.

Тетрафторэтилен — эндотермическое соединение, способное, как, например, ацетилен, взрываться без окислителя, поскольку при его разложении до тетрафторметана и сажи выделяется много энергии. Повышение давления при взрыве ТФЭ в замкнутом объеме при различных началь-

ных давлениях и температурах, температура и состав продуктов представлены в табл. 1. Расчет проведен по термодинамической программе для равновесного состава продуктов реакции.

Температура кипения ТФЭ при нормальном давлении составляет —76.3°С, критические температура и давление — 33.3°С и 41.5 атм соответственно. Значения давления насыщенных паров ТФЭ при разных температурах представлены в табл. 2.

Поэтому в практических условиях он может быть как в газовой фазе, так и в жидкой, т.е. необходимо знать его взрывные характеристики в обеих фазах.

Таблица 1. Повышение давления Ре/Р0 при взрыве ТФЭ, температура продуктов ге, состав газовых продуктов

(об. %), весовой % сажи (относительно C2F4)

То, °С Ре/Р0 г °С СБ4 С СР2 СБ3

Р0 = 1 атм

-20 10.2937 2203.42 46.8957 5.71248 4.05182 1.033215

0 9.56559 2204.65 46.7699 5.70028 4.22924 1.056396

+20 8.93816 2206.16 46.6423 5.68793 4.40880 1.079901

+40 8.39206 2207.92 46.5127 5.67539 4.59086 1.103744

Р0 = 10 атм

-20 10.4887 2303.96 48.1612 5.94027 2.13138 0.895643

0 9.74932 2308.11 48.0682 5.83154 2.25531 0.926456

+20 9.11232 2312.5 47.9727 5.82258 2.38247 0.957842

+40 8.55797 2317.1 47.8747 5.81339 2.51311 0.989835

Таблица 2. Давление насыщенных паров ТФЭ

Т, °С Р, атм Т, °С Р, атм Т, °С Р, атм

-70 1.45 -20 10.26 + 10 23.77

-40 5.18 0 18.37 +50 41.5

В настоящей работе экспериментально определялись пределы распространения пламени в ТФЭ, минимальные энергии зажигания, скорость повышения давления при взрыве ТФЭ в замкнутом объеме (при наличии жидкой фазы и без нее), а также оценена возможность возбуждения детонации в жидком ТФЭ. Поскольку при эксплуатации возможны ситуации выхода ТФЭ в окружающий воздух, определены концентрационные пределы распространения детонации в смесях ТФЭ с воздухом, а также скорости горения и минимальные энергии зажигания (МЭЗ) этих смесей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыты проводились в вертикально установленном реакторе, изготовленном из нержавеющей стали, внутренний диаметр которого — 70 мм, а высота рабочего объема — 500 мм. Диаметр реактора существенно превышает критические значения диаметров для распространения пламени в газах, известные из литературы. Способом зажигания, наиболее подходящим для решения поставленной задачи, оказался электрический взрыв проволочки. Он позволяет достаточно просто оценить энергию зажигания и обеспечивает надежное воспламенение как газов при высоких давлениях, так и жидкостей. Кроме того, образование большого количества сажи не влияет на работоспособность такого источника зажигания. Батарея конденсаторов общей емкостью 16 мкф разряжалась через нихромовую проволочку диаметром 0.3 мм и длиной 15 мм. Напряжение на конденсаторах изменялось от 0.2 до 4 кВ. Энергия разряда рассчитывалась по формуле СУ2/2, т.е. потери энергии, как в электрической цепи, так и из зоны разряда, не учитывались, поэтому для сравнения в идентичных условиях были измерены минимальные энергии инициирования разложения такого детально исследованного вещества, как ацетилен. Давление ТФЭ варьировалось в опытах от 1 до 16 атм.

Взрывное разложение ТФЭ регистрировалось с помощью датчиков давления ДДИ-20, размещенных на верхней крышке реактора. Сигнал с датчика поступал на шлейфовый осциллограф Н-102 через преобразователь ИВП-2.

Полнота реагирования определялась по записи давления и по количеству образовавшейся сажи. Перед опытом реактор откачивался форвакуумным насосом до остаточного давления менее 2 Торр. Опыты проводились при комнатной температуре и

при пониженных температурах (до —50°С). Для этого пустой реактор предварительно охлаждался до —80°С жидким азотом, заливаемым в него. После этого реактор закрывался, откачивался и затем заполнялся ТФЭ. Давление, регистрируемое манометром в ходе наполнения, соответствовало давлению насыщенного пара ТФЭ, по которому определялась температура жидкой фазы. Количество введенного ТФЭ определялось по уменьшению давления в 40-литровом баллоне, из которого напускался ТФЭ, с учетом плотности жидкой фазы ТФЭ [1]. После заполнения ТФЭ реактор выдерживался до достижения заданного давления насыщенного пара. Слой жидкой фазы в опытах имел толщину 10 мм. Инициирование газообразного ТФЭ проводилось как у верхнего торца реактора, так и у нижнего, а при наличии жидкой фазы — только у нижнего торца. После каждого опыта проводилась влажная очистка реактора, который затем высушивался. Использовался ТФЭ чистотой 99.9%.

Для определения детонационной способности жидкого ТФЭ проведены опыты в стеклянной оболочке внутренним диаметром 29 мм и в дюралюминиевых оболочках диаметром 25 мм с толщиной стенки 4.5 мм, укрепленной стальным цилиндром длиной 140 мм с толщиной стенки 8 мм у конца оболочки с инициатором, длина оболочек была 280 мм. Проведен также опыт в стальной оболочке внутренним диаметром 30 мм и длиной 350 мм. Тетрафторэтилен намораживался в оболочки в виде столба льда высотой 200 мм и затем размораживался до состояния слабо кипящей жидкости. Инициирование проводилось зарядами ВВ, инициатор размещался как в жидкости, так и в газовой фазе.

Для проведения опытов, в которых изучалось флегматизирующее действие азота, аргона и гелия на характеристики воспламенения ТФЭ, использовалась трубка диаметром 10 мм, проходящая по всей длине реактора, в которой были просверлены отверстия диаметром 1 мм, расположенные через различные промежутки таким образом, чтобы обеспечить примерно равномерное распределение по реактору газов, вводимых через трубку. Тетрафторэтилен вводился после инертного газа. Опыты проводились при давлениях ТФЭ от 3 до 6 атм. Смесь выдерживалась в течение 20 мин перед воспламенением для обеспечения удовлетворительной степени перемешивания компонентов.

В детонационной трубе внутренним диаметром 70 мм и длиной 18 м определялась скорость детонации смесей ТФЭ с воздухом и бедный предел детонации по горючему при атмосферном давлении и комнатной температуре. Детонация инициировалась детонацией пропанокислород-ной смеси, которой заполнялся отрезок трубы. Скорость детонации измерялась ионизационны-

ми датчиками. Смесь в этих опытах готовилась в смесителе с вентилятором.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Определение минимальной энергии инициирования ТФЭ при комнатной температуре

Результаты опытов представлены на рис. 1. Как видно, минимальная энергия инициирования разложения ТФЭ существенно зависит от положения инициатора в бомбе и от начального давления газообразного ТФЭ. При инициировании снизу в зависимости от энергии источника либо происходило полное разложение ТФЭ, либо ТФЭ оставался практически не разложенным. Вес сажи в опытах с разложением ТФЭ с точностью до 3% соответствовал ее количеству, следующему из формулы С2Б4 = С + СБ4. При зажигании снизу МЭЗ изменяется от 20 Дж при 3 атм до величины менее 0.4 Дж при давлении 10 атм. При давлении 1.5 атм разложение ТФЭ не удалось инициировать даже энергией в 130 Дж. Вид осциллограмм давления довольно слабо зависел от энергии инициирования. При увеличении энергии инициирования и начального давления скорость нарастания давления несколько увеличивалась. Время нарастания давления до максимума при начальном давлении ТФЭ, равном 10 атм, было 0.6 с, в то время как при более низких давлениях оно было около 1 с. Максимальное давление взрыва, определенное по осциллограммам, изменялось, в зависимости от начальной температуры и давления, в 8-10 раз, что удовлетворительно согласовалось с термодинамическим расчетом.

При инициировании в верхней части реактора характер нарастания давления зависел от величины энергии. При больших энергиях инициирования, более чем в два раза превышающих минимальную для этого способа зажигания, изменение во времени давления в реакторе было приблизительно таким же, как при зажигании снизу; несколько выше была величина от момента инициирования до достижения максимального давления. При приближении к пределу зажигания по энергии характер процесса существенно изменялся. Во-первых, в различных опытах при одной и той же энергии инициирования наблюдалось как полное, так и частичное разложение ТФЭ. Во-вторых, наблюдалась задержка между моментом инициирования и началом прогрессивного роста давления, которая изменялась от одной до нескольких десятков секунд. Медленный рост давления на начальной стадии сменялся быстрым его увеличением (в течение десятых долей секунды) на конечной стадии. Наблюдалось также неполное разложение ТФЭ. Минимальная энергия

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.

Показать целиком