Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса по тушению легковоспламеняющихся жидкостей 8
1.1. Анализ причин пожаров на объектах нефтяной промышленности 8
1.2. Анализ существующих методов и средств огнезащиты резервуаров 12
1.3. Классификация пенообразователей, их состав, свойства и назначение 16
1.4. Испытания по тушению пламени легковоспламеняющихся жидкостей пенами из различных пенообразователей 28
1.5. Методы исследования огнетушащей эффективности пены из различных пенообразователей 37
Выводы по главе 1 46
2 Анализ процесса тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей 47
2.1. Влияние состава пенообразующей композиции на огнетушащую эффективность пены 47
2.2. Методы и приемы тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной 61
2.3. Исследование устойчивости пен на поверхности легковоспламеняющихся жидкостей при тушении 67
Выводы по главе 2 84
3. Исследование влияния состава многоцелевой пенообразующей композиции на огнетушащую эффективность пены 85
3.1. Планирование эксперимента по тушению пламени легковоспламеняющейся жидкости пены 85
3.2. Оптимизация составов универсальной композиции для тушения пламени водорастворимых и легковоспламеняющихся жидкостей 86
3.3. Влияние компонентов неионогенных ФПАВ пенообразователя на огнетушащую эффективность пены из универсальных составов 89
3.4. Результаты тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной из разработанных композиций 92
3.5. Анализ процесса тушения пламени органических жидкостей на полигонном испытании пенообразователя «Многоцелевой» 94
Выводы по главе 3 101
4 Разработка методов и средств огнезащиты резервуаров 102
4.1. Анализ возможности использования внутренних покрытий кровли и стенок резервуара для предотвращения пожаров 102
4.2. Разработка системы тушения резервуаров гранулированными плавкими материалами 105
4.3. Разработка систем ограничения распространения пожара внутри РВС 106
4.4. Разработка математической модели расчета теплового поля ограждающей горизонтальной конструкции 115
Выводы по главе 4 123
Основные выводы 123
Библиографический список использованной литературы
- Анализ существующих методов и средств огнезащиты резервуаров
- Методы и приемы тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной
- Оптимизация составов универсальной композиции для тушения пламени водорастворимых и легковоспламеняющихся жидкостей
- Разработка системы тушения резервуаров гранулированными плавкими материалами
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования
На объектах нефтегазовой отрасли существует ряд сооружений, которые обладают наибольшей пожарной опасностью. К таким объектам относятся резервуары и резервуарные парки.
Аналитические данные показали, что чрезвычайные ситуации на объектах нефтегазовой отрасли зачастую сопровождаются пожарами, которые наносят государству экономический, экологический, материальный ущерб. При пожарах на данных объектах выделяется большое количество тепловой энергии, которая путем излучения воздействует на объекты вокруг очага пожара и образует новые очаги.
Средства тушения и предотвращения пожаров, существующие на данный момент, не позволяют в полной мере обеспечить безопасность резервуаров. Системы и устройства, предназначенные для тушения резервуаров, не позволяют в короткий промежуток времени обеспечить быстрое их тушение, что приводит к взрыву и последующему распространению пожара.
Нестабильная эффективность средств пожаротушения подтверждается показателями возникновения пожаров на резервуарах и убытками, которые ими наносятся. По данным статистики пожаров на объектах нефтегазовой отрасли за последние 5 лет, число пожаров не снижается, при этом убытки, наносимые компаниям, эксплуатирующим резервуары и резервуарные парки, растут.
Проведение теоретических и экспериментальных исследований с использованием достоверных методов расчета, направленных на разработку и применение конструктивно-планировочных решений, технологий, устройств и средств ограничения распространения пожаров остаётся востребованным в нефтегазовой отрасли.
В связи с вышеизложенным, тема данного диссертационного исследования, направленная на разработку комплекса технологий огнезащиты и средств тушения легковоспламеняющихся жидкостей, является актуальной и своевременной.
Степень разработанности научной проблемы
Исследованию вопроса разработки технологий огнезащиты и средств тушения легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) в резервуарах посвящены работы большого числа российских и зарубежных ученых: Абрамовской Н.Н., Азметова Х.А., Акулова А.Ю., Атанасова А.В., Бараковских С.А., Беляева СВ., Воевода С.С, ГумероваА.Г., Гумерова Р.С, Джумагалиева P.M., ДудниковаЮ.В., ЖаксибаеваМ.Ж., Корольченко А.Я., Кучера В.М., Меркулов В.А., Молчанова В.П., Монтаева Е.И., Мотрыгина Ю.Д., Сучкова В.П., Шароварникова А.Ф., и многих других, исследования которых учтены в диссертационной работе.
Цель диссертационного исследования - повышение безопасности эксплуатации резервуаров и резервуарных парков путем совершенствования
технологии огнезащиты и разработки средств тушения
легковоспламеняющихся жидкостей в резервуарах.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Провести анализ влияния химического состава компонентов, входящих в пенообразующие композиции, на свойства композиций и их эффективность при тушении.
-
Установить оптимальное содержание компонентов пенообразующего состава для использования при тушении легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ).
-
Обосновать использование негорючих плавких материалов для тушения пожаров ЛВЖ.
-
Разработать оптимальный метод тушения и средства ограничения распространения пламени при пожаре резервуаров.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является универсальная пенообразующая композиция, содержащая полимерное соединение, анионное углеводородное поверхностно-активное вещество и смесь фторированных поверхностно-активных веществ различной ионной природы.
Предмет исследования - влияние состава универсальной пенообразующей композиции на её огнетушащую эффективность при тушении ЛВЖ в резервуарах.
Методологическая основа исследования
Автором проведен анализ пожаров на различных типах резервуаров в Республике Казахстан в период с января 2009 года по декабрь 2014 года, а также существующих методов и средств огнезащиты резервуаров.
Методологическая основа исследования заключается в применении математических методов (математического анализа экспериментальных данных и сравнения их с расчетными данными) описания процесса тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной и связана с выявлением расчетных соотношений времени тушения пожара и интенсивности подачи пены, а также определением оптимальных параметров подачи огнетушащего средства.
Информационная база исследования предоставлена Комитетом противопожарной службы, Комитетом по государственному контролю за ЧС и промышленной безопасностью Министерства по чрезвычайным ситуациям.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью полученных экспериментальных данных в лабораторных условиях с результатами межведомственных огневых испытаний и исследованиями других авторов.
Достоверность и обоснованность научной новизны доказаны методами математического моделирования и результатами экспериментальных
испытаний на опытных установках. Лабораторные эксперименты проведены на сертифицированном и поверенном оборудовании.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Тема диссертационного исследования полностью соответствует паспорту и формуле специальности. Область исследования соответствует пунктам 5 «Разработка научных основ, моделей и методов исследования процессов горения, пожаро- и взрывоопасных свойств веществ, материалов, производственного оборудования, конструкций, зданий и сооружений» и 6 «Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров» Паспорта специальности.
Научная новизна результатов исследования
Выявлены и научно обоснованы основные закономерности тушения пламени органических ЛВЖ пенами из полимерсодержащих пенообразователей.
Предложены и экспериментально обоснованы составы огнетушащих композиций, универсальных по способу и объекту тушения, содержащих высокомолекулярное полимерное соединение, анионное углеводородное поверхностно-активное вещество и смесь фторированных поверхностно-активных веществ различной ионной природы.
Разработана модель формирования изолирующего полимерного слоя из продуктов распада пены на поверхности гидрофильных жидкостей, включающая ряд последовательных этапов: контактное разрушение растворителем первых порций пены и формирование на его поверхности полимерной сетки; постепенное уменьшение площади сквозных капилляров коагулирующими частицами полимера и обеспечение за счет этого объемности изолирующего слоя.
Получена аналитическая зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены из составов, образующих полимерный разделительный слой с органическими жидкостями, позволяющая оптимизировать параметры процесса тушения.
Разработана математическая модель расчета теплового поля ограждающей горизонтальной конструкции, предложенной автором.
На защиту выносятся:
-
закономерности процесса тушения пламени органических ЛВЖ пенами из полимерсодержащих пенообразователей;
-
модель формирования изолирующего полимерного слоя из продуктов распада пены на поверхности гидрофильных жидкостей;
-
состав многоцелевого по объекту и способу тушения пенообразователя на биологически разлагаемой углеводородной основе, что значительно снижает отрицательное воздействие сбросов пенообразователя в окружающую среду;
-
защитные покрытия для стенок и кровли резервуаров из гранулированных плавких негорючих веществ в качестве дополнительной пассивной защиты от распространения пожара;
-
сетчатая горизонтальная конструкция тушения пожара в резервуаре, которая в совокупности с использованием пенообразователя «Многоцелевой» способна обеспечить предотвращение распространения пожара на ближайшие резервуары и другие сооружения.
Практическая значимость заключается в том, что
разработана рецептура пенообразователя, универсального по способу и объекту тушения, обладающего высокой огнетушащей эффективностью по отношению к ЛВЖ, при тушении подача пены осуществляется любым способом с применением воздушно-пенных стволов. Разработаны технические условия на пенообразователь «Многоцелевой». Выпущена опытная партия и проведены межведомственные огневые испытания, освоено опытно-промышленное производство пенообразователя;
усовершенствована технология применения новых пенообразующих составов и средств ограничения распространения пламени при пожарах в резервуарных парках;
разработаны защитные покрытия для стенок и кровли резервуаров из гранулированных плавких негорючих веществ в качестве дополнительной пассивной защиты от распространения пожара.
Апробация результатов исследования
Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Перспективы развития водо- и энергосберегающих технологий и охраны труда» (г. Алматы, 24-25 мая, 2007 г.); «Новое в безопасности жизнедеятельности» (г. Алматы, 21-23 апреля, 2007 г); «Научно-технические, духовные ценности в наследии мыслителей Востока и А. Машани» (г. Алматы, 25-30 июня 2007 г.), «Архитектура и строительство в новом тысячелетии» (г. Алматы, 25-30 июня 2009 г.), «Актуальные проблемы пожарной безопасности, предупреждения и ликвидации ЧС» (г. Кокшетау, 18-19 ноября 2010 г.).
Публикации результатов исследования
По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ: из них 3 в изданиях рекомендованных ВАК России, 6 в изданиях рекомендованных ККАСОН Республики Казахстан, и 16 работ в материалах международных конференций.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 189 наименование. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 71 рисунок.
Анализ существующих методов и средств огнезащиты резервуаров
Республика Казахстан и его топливно-энергетический комплекс требует постоянного совершенствования технологии пожарной безопасности предприятия отрасли [13].
Наиболее распространённым средством для тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей в резервуарах является воздушно-механическая пена. Она имеет ряд преимуществ по сравнению другими средствами ликвидации пожаров (водой, газами, порошками и т.д.). Воздушно-механическая пена, во-первых, препятствует возникновению повторного возгорания после тушения, во-вторых, дает возможность тушить пожары как в замкнутых пространствах, так и на больших площадях, и, наконец, ее отличает экономичность.
Таким образом, в процессе тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей важно выявить эффективность используемой пены и время ликвидации модельного очага при фиксированной интенсивности подачи пены или определении минимальной интенсивности подачи пенообразующего раствора, при котором наступает тушение. Минимальная эффективность подачи пены является определяющим показателем, при котором тушение модельного очага достигается за время, принимаемое предельно допустимым.
Одной из основных причин, затрудняющих ликвидацию пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах, является образование в последних закрытых зон, так называемых «карманов», которые имели место более чем в 60 % всех пожаров. «Карманы» могут иметь форму, площадь и образуются как на стадии возникновения, так и в процессе развития пожара [14].
Образование «карманов» при пожаре происходит в результате подрыва стационарной крыши вертикального резервуара с провисанием, частичным обрушением самой внутрь резервуара, перекосы понтона либо плавающей крыши. В условиях пожара процесс образования «карманов» продолжается по причине низкой устойчивости свободной стенки вертикального резервуара. Опыт тушения пожаров подтверждает, что в течение 5...20 мин. свободный борт резервуара теряет свою несущую способность и под воздействием веса крыши деформируется [15]. С учетом условий проведения опытов использование экспериментальных методов предполагает полигонные испытания по тушению пожара в натуральном резервуаре с применением штатной противопожарной техники и лабораторные испытания, в которых применяются модели резервуаров различного размера и специально сконструированное оборудование для подачи пены с регулируемым расходом огнетушащего средства [16].
Следует отметить, что первый тип испытаний проводится редко и, как правило, завершает работу по созданию огнетушащих составов и разработке рекомендаций по их применению для тушения пожара в различных условиях. Прежде всего это связано с большими материальными затратами и экологическим ущербом. Именно поэтому наибольшее распространение получили лабораторные методы определения огнетушащей эффективности пен, которые сопровождаются проверкой результатов тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей в различных моделях резервуаров и противнях.
Так, в работе [17] проведен анализ результатов испытаний пяти пенообразователей различного типа для сопоставительной оценки эффективности пен. Эксперименты выполнялись в соответствии со стандартами США в резервуаре площадью 2,6 м2, а заключительный испытания - на площади 370 м2. Полученные данные показали хорошую корреляцию результатов.
Результатом множественных испытаний по тушению пламени легковоспламеняющихся жидкостей в резервуарах являлась разработка множества методик определения огнетушащей эффективности пен.
Результаты экспериментов показали особенности протекания процессов воспламенения и горения смесей ферросилиция с окислителями и катализаторами [18].
В работе [19] были проведены испытания по тушению легковоспламеняющихся жидкостей в противнях площадью от 9 м2 до 60 м2 с применением различных пенообразователей. Результаты испытаний выявили, что при постоянной интенсивности подачи пены изменение площади пожара практически не оказывает влияние на время его тушения. Полученные данные являются адекватными и обеспечивают возможность сравнения эффективности огнетушащих средств и разработку конкретных рекомендаций по их применению, поэтому они могут быть применены в реальных условиях.
Использование пены средней кратности с расходом 1 л/с на очаг горения площадью от 5 м2 и выше с целью определения зависимости времени тушения от интенсивности подачи раствора пенообразователя, по которой устанавливается величина ее критической интенсивности описано в работе [20]. Для определения огнетушащей эффективности, пена подается вертикальной струей в центр модельного резервуара с высоты 20 см согласно методике [21]. В этом случае расход раствора составляет 2 г/с. Интенсивность подачи пены находится в зависимости от площади тушения. Чтобы установить зависимость времени ликвидации горения от интенсивности подачи пены необходимо использовать модели резервуаров диаметром от 10 см до 50 см. Эта методика позволяет определить степень разбавления горючего вещества пенообразующим раствором.
Касаясь современных классификаций пенообразователей, стоит отметить, что они являются условными так, как не могут быть охарактеризованы в полной мере по назначению, составу и эксплуатационным свойствам.
К составам общего назначения относятся наиболее доступные и дешевые пенообразователи. В группу составов целевого назначения входят пенообразователи, обладающие морозостойкостью, повышенной устойчивостью пены, способностью тушить спирты и пленкообразующим свойством.
В итоге, общим признаком классификации пенообразователей является их химическая природа. В связи с этим существующие пенообразователи можно разделить на две группы: огнетушащие жидкости на основе углеводородных поверхностно-активных веществ (УПАВ) и фторсодержащие. В свою очередь по своему происхождению углеводородные пенообразователи делятся на природные и синтетические. Что касается фторсодержащих пенообразователей, то их состав отличается большим разнообразием, так как с внедрением в их углеводородную основу широкого ассортимента фторзамещенных соединений различного состава, с применением добавок обеспечивает пенообразователю необходимые эксплуатационные свойства в различных условиях.
Методы и приемы тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной
Чтобы результаты испытаний были достоверными, необходимо провести не менее пяти опытов. По их данным строится графическая зависимость времени тушения, удельного расхода пены и степени разбавления легковоспламеняющейся жидкости от интенсивности подачи пены.
Метод определения огнетушащей эффективности пены при тушении пламени легковоспламеняющихся жидкостей подачей пены в слой горючего [157]. В качестве критериев, характеризующих огнетушащую эффективность пены при тушении пламени легковоспламеняющейся жидкости подслойным способом, используются удельный расход пены на тушение и критическая интенсивность подачи пены, то есть такая минимальная интенсивность, при которой пламя может быть ликвидировано за большое время.
Последовательность проведения эксперимента.
Смесь пенообразователя объемом 100 мл заливается в стакан размельчителя тканей РТ-1. Включается размельчитель (скорость вращения 4000 об./мин.). В течение 30 создается пена, которая далее подается в емкость и взвешивается. Результат заносится в таблицу. Емкость закрывается крышкой с подключенными трубопроводами для нагнетания воздуха и пены. Поджигается легковоспламеняющаяся жидкость в модели резервуара. Через 1 мин. после поджигания от компрессора подают воздух в емкость с пеной, вследствие чего пена через металлическое колено нагнетается в резервуар. Время тушения устанавливается с момента ввода пены в горючее до момента полного прекращения горения. После чего емкость с оставшейся пеной взвешивается после затухания пламени.
Время тушения и масса емкости заносятся в таблицу. Опыты повторяются не менее 5-6 раз при различном расходе пены, который регулируется вентилем ротаметра.
Схема экспериментального комплекса представлена на рисунке 1.13. В комплекс экспериментальной установки входит модель резервуара с поддоном 1, емкость с пеной 2, ротаметр 3 с вентилем 4, трубопровод 5 для подачи пены в резервуар с металлическим коленом 6, трубопровод для подачи воздуха в емкость 7, компрессор 8, весы 9, секундомер 10, размельчитель тканей РТ-1 11.
Расчетные соотношения и обработка результатов. Интенсивность подачи и удельный расход пены определяется по формуле: т тл - ш9 I t pO (1.19) где / - интенсивность подачи пены, кг/(м2с); tT- время тушения, с; S - площадь поверхности горения, м2; ті - масса емкости с пеной перед тушением, кг; rri2 - масса емкости с оставшейся пеной после тушения, кг.
Удельный расход пены на тушение пламени определяется по уравнению (17). По результатам опытов строятся графические зависимости времени тушения пламени и удельного расхода от интенсивности подачи пены. Критическая интенсивность подачи пены определяется экстраполяцией прямой — = /(/) до пересечения осью абсцисс. Графически по минимуму зависимости Q = /(/) определяется оптимальная интенсивность подачи пены. Метод исследования процесса синерезиса высокодисперсных пен. Исследование синерезиса пен проводится с целью определения времени, в течение которого из объема пены выделяется 50 % об. раствора пенообразователя. Данный метод помогает определить зависимость времени устойчивости t5o от величины дисперсности пен.
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.14. Комплекс включает в себя комбинированный электрохимический диспергатор 1 с мерным цилиндром 2 прямоугольного сечения, микроскоп 3, источник постоянного тока 4, микропроцессор 5, ротаметр с вентилем 6, секундомер 7.
Последовательность проведения эксперимента.
В сосуд подается 100 грамм раствора пенообразователя. На электрохимический диспергатор подается напряжение от источника и воздух от микрокомпрессора, вследствие чего начинается процесс образования пены за счет протекания электрохимической реакции, сопровождающейся выделением газа на сетке и диспергированием воздуха через пенообразующий раствор. Через расчетное время - 3 мин подача напряжения и воздуха прекращается. По делениям сосуда фиксируется объем образовавшейся пены.
В процессе проведения исследований был использован широкий ассортимент веществ, выпускающихся промышленностью и синтезированных в лабораторных условиях (таблица 1.9).
С помощью микроскопа методом сечений определяется средний радиус пузырьков пены, и по расчетным соотношениям - её дисперсность. Время устойчивости пены t5o фиксируется с момента отключения электрохимического диспергатора до момента выделения из пены 50 % об. раствора пенообразователя. Изменение величины средней дисперсности пены осуществляется увеличением или уменьшением расхода воздуха, подаваемого на диспергатор.
Фторированные поверхностно-активные вещества синтезированы в Институте химических наук им. А.Б. Бектурова (ИХН), Казахском национальном техническом университете им. К. И. Сатпаева, РГП «Национальный научно-исследовательский центр по проблемам промышленной безопасности» и в РГУ «Кокшетауский технический институт Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан».
В экспериментах использовались промышленно-выпускаемые пенообразователи «Сампо» (ТУ 3810950-78), ПО-ЗАИ (ТУ 3810923-86), «Форэтол» (ТУ 6022780-84), «Универсальный» (ТУ 6022890-86).
В качестве легковоспламеняющихся жидкостей использовали нормальные спирты и изоспирты, кетоны, альдегиды, алифатические кислоты, алифатические углеводороды (квалификации «ч»), легковоспламеняющиеся жидкости и различные продукты ее переработки, выпускаемые промышленностью стран СНГ.
Выводы по главе 1.
1. Современные системы пожаротушения не способны в полной мере удовлетворить потребности в безопасности резервуарных парков с легковоспламеняющимися жидкостями, что приводит к необходимости создания дополнительных средств пожаротушения.
2. Существующие составы пен имеют ряд недостатков, которые не позволяют использовать их в качестве универсальных составов для тушения любого вида легковоспламеняющихся жидкостей. Требуется усовершенствование существующих составов пен и их характеристик.
Опыт тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной доказывает неэффективность углеводородных пенообразователей при пожаротушении, так как пена на их основе, всплывая на поверхность через слой легковоспламеняющейся жидкости, частично разрушается, а оставшаяся часть не способна прекратить горение из-за того, что, насыщаясь легковоспламеняющейся жидкостью, пена сама становится горючей. Поэтому главным требованием, предъявляемым к пенообразователям, является обеспечение пене инертности по отношению к горючему материалу.
По этой причине в пенообразователях, наряду с УПАВ, которые придают раствору пенообразующие свойства, используются фторированные компоненты, обладающие высокой адсорбционной способностью и поверхностной активностью. Они выполняют функцию своеобразного экрана, препятствующего взаимодействию УПАВ с легковоспламеняющейся жидкостью, имеющей аналогичную химическую природу [158].
Оптимизация составов универсальной композиции для тушения пламени водорастворимых и легковоспламеняющихся жидкостей
Тушение пламени легковоспламеняющихся жидкостей в общем случае обуславливается соотношением, с одной стороны, скорости разрушения пенотушащих средств на поверхности горения, а с другой, - интенсивностью подачи пены. Тушение пламени горючих жидкостей отличается тем, что причинами разрушения пены на поверхности горючей жидкости является контактное взаимодействие пены с горючей жидкостью в отличие от разрушения пены в результате теплового потока факела пламени, скорость которого гораздо меньше по сравнению со скоростью контактного разрушения. Последний факт выявляет большую сложность тушения племени, связанную с необходимостью значительного разбавления всего объема растворителя до консистенции, когда скорость контактного разрушения пены снижается, что позволяет накопить достаточный пенный слой, необходимый для прекращения горения.
Необходимо установить механизм контактного разрушения пены и причины, вызывающие ее распад при взаимодействии с органическим веществом, выявить природу и движущие силы этого процесса. В работах [162] именно изопропанол и этанол являлись представителями легковоспламеняющихся жидкостей, наиболее интенсивно разрушающих пену из углеводородных пенообразователей. По этой причине для того, чтобы исследовать контактные разрушения пен и оптимизацию огнетушащих составов для тушения пламени органических растворителей, нами были выбраны именно эти жидкости.
Прежде чем говорить о методах и приемах тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей, необходимо установить причины и механизмы контактного разрушения пен горючими веществами. Согласно результатам исследования процесса разрушения пен из углеводородных пенообразователей водно-спиртовыми смесями, скорость контактного разрушения пены прямо пропорциональна содержанию спирта в растворе при условии превышения спиртом некоторой предельной концентрации. На рисунке 2.18 отображена зависимость удельной массовой скорости контактного разрушения пенотушащих растворов РАС и «СамПО» на поверхности водно- изопропанолового состава от концентрации состава.
Рисунок 2.18 - Сопоставление массовой скорости разрушения пенотушащих растворов РАС (1) и «СамПО» (2) от концентрации водно-изопропанолового состава Скорость разрушения пенотушащих растворов возрастает незначительно при малых концентрациях спирта, а при содержании спиртовой составляющей в растворе 23 % масс для пен из РАС и 45 % масс для «СамПО» отмечено ускорение разрушения.
В исследованиях [163] показано, что дестабилизация пены возникает из-за утраты молекулами пенообразователя поверхностной активности в растворе, содержащем органический растворитель, молекулы которого обладают большей активностью, чем молекулы пенотушащих средств. Проведены эксперименты по определению кратности и времени устойчивости пены из растворов пенообразователей РАС и «СамПО» с добавками органического компонента. За единицу времени устойчивости пены был принят период времени, в течение которого из пены выделится половина пенообразующего раствора. Таким же образом устанавливалось соотношение поверхностного натяжения растворов в зависимости от концентрации органического компонента в них.
Результаты измерений свидетельствуют о том, что кратность, устойчивость и разность поверхностного натяжения водно-спиртовых растворов с ПАВ и растворов без ПАВ при увеличении концентрации изопропанола в пенообразующем растворе непрерывно снижаются. В случае концентрации изопропанола 23 % масс, 48 % масс в растворе, пенообразователи РАС и «Сампо», соответственно, перестают быть поверхностно-активными в водно-спиртовой смеси данного состава, так как при этих концентрациях спирта Ад = О [164].
Сравнительный анализ полученных результатов с данными по пенообразованию показывает, что при этих же концентрациях неводного компонента в смеси контактная устойчивость пен резко снижается (рисунок 2.18). Полученная пена быстро разрушается, либо не образуется вообще, если пенообразователь не обладает поверхностной активностью в смеси данного состава [165]. Анализ результатов экспериментов подтверждается приведенными в таблице 2.1 величинами, отражающими предельное содержание органического растворителя, при котором пенообразователь теряет поверхностно-активные свойства и способность стабилизировать пену, а также значение скорости контактного разрушения пен при взаимодействии с конкретной органической жидкостью.
По итогам исследования выявлена закономерность температурной зависимости времени устойчивости пен, полученных из водно-изопропаноловых составов с пенообразователем РАС. Рассчитана величина эффективной энергии активации процесса синерезиса пены по формуле Аррениуса. Так, по мере увеличения доли изопропанола в смеси возрастает эффективная энергия процесса, абсолютное значение которых для смесей: 13,4; 15,2; 19,6; 27,2 кДж-моль"1, а содержащих изопропиловый спирт - 0,0; 5,0; 7,0; 10,0 % масс. Отмечено изменение характера процесса синерезиса пены благодаря росту эффективной энергии активации с 13,4 до 27,2 кДж-моль \
Пены без изопропанола характеризуются вязким течением раствора по значению Е, а в поверхностном слое разрушение водно-спиртовых пен отмечено кинетическим механизмом взаимодействия молекул ПАВ пенообразователя и изопропанола.
Разрушение пены обусловлено потерей поверхностной активности молекул пенообразователя в водно-спиртовых смесях, образующихся при контакте пены с органической жидкостью.
Это позволяет сделать вывод о том, что при прочих равных условиях скорость разрушения будет выше для пен большей кратности, а увеличение доли раствора в пенных каналах будет способствовать повышению устойчивости пены к действию спирта.
Главными причинами, вызывающими проникновение растворителя в пенные каналы, является присутствие в них капиллярного давления, пониженного по отношению к атмосферному. Степень реализации движущей силы всасывания зависит от физических свойств растворителя: вязкости, плотности и теплового эффекта смешения компонентов. Большей агрессивностью к пенам обладает растворитель, который при меньшем содержании в пенообразующем растворе уничтожает поверхностную активность молекул ПАВ. При одинаковом воздействии растворителей на поверхностную активность ПАВ большей агрессивностью обладает растворитель с меньшей вязкостью и плотностью.
Разработка системы тушения резервуаров гранулированными плавкими материалами
Таким образом, на основании изучения закономерностей тушения пламени органических легковоспламеняющихся жидкостей следует, что эффективность тушения пожара связана с физико-химическими свойствами пенообразующего раствора, которые определяются его компонентным составом и их оптимальным содержанием. Они в совокупности обеспечивают лучшие показатели огнетушащей эффективности пены. Проведённые исследования позволили создать и обосновать состав нового пенообразователя, универсального по объекту и способу тушения, получившего в дальнейшем наименование «Многоцелевой» и рекомендовать его к опытно-промышленному производству. Более того, один из вариантов рецептуры разработан на биологически разлагаемой основе, что значительно снижает негативное воздействие сбросов пенообразователя на окружающую среду при тушении пожаров.
Анализ процесса тушения пламени органических жидкостей на полигонном испытании пенообразователя «Многоцелевой»
Модель тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной разрабатывается путем выявления взаимосвязи огнетушащей эффективности пены с ее физическими параметрами и свойствами горючего состава. С прагматической точки зрения, математическое описание этого процесса связанно с выявлением расчетных соотношений взаимосвязи времени тушения пожара и интенсивности подачи пены, а также определением оптимальных параметров подачи огнетушащего средства, при которых его затраты на тушение пожара будут минимальны.
В общем случае решение задачи выявление функциональной взаимосвязи параметров тушения сводится к решению дифференциального уравнения, описывающего зависимость степени покрытия поверхности горящей жидкости пенным слоем толщиной h, обеспечивающим снижение интенсивности парообразования до величины, после которой горение прекращается.
Процесс покрытия поверхности горения пламени пенным слоем сопровождается накоплением и разрушением пены, то поставленная цель достигается решением системы дифференциальных уравнений, одно из которых описывает материальный баланс поданной, накопленной и разрушенной пены за промежуток времени dx , а другое - изменение удельной скорости разрушения пены при изменении параметров, характеризующих процесс тушения: H=LEA ; (3.5) ат pnh где в - степень покрытия поверхности горения пламени пеной, O = Sn/S0; Sn - площадь пенного слоя, м2; S0- общая площадь поверхности горения; рп-плотность пены, рп = рр1к, кг/м3; рр - плотность пенообразующего раствора, кг/м3; к - кратность пены; Uр - удельная массовая скорость разрушения пены; UTM - максимальная удельная массовая скорость разрушения пены под действием факела пламени; икм - максимальная удельная скорость контактного разрушения; С - степень разбавления горючей жидкости, V х = —; Vp - объем раствора в жидкости, м ; Vm - объем жидкости в резервуаре, м3; р - коэффициент, характеризующий изменение скорости контактного разрушения пены при изменении концентрации водорастворимой жидкости.
В эксплицитном явном виде система уравнений (3.1), (3.2) решена быть не может, так как включает несколько независимых переменных, функционально связанных с изменяющимися параметрами процесса тушения. Поэтому для решения данной системы необходимо определиться с некоторыми допущениями, позволяющими ее упростить и привести к решаемому виду.
Величина удельной скорости разрушения пены зависит от ряда параметров, включающих как свойства самой пены, так и свойства легковоспламеняющейся жидкости. В общем случае скорость разрушения пены определяется ее способностью сорбционного поглощения паров горючего, гидростатической, термической и контактной устойчивостью пены, которые в свою очередь также находятся во взаимосвязи с другими изменяющимися параметрами.
В каждом отдельном случае вклад разрушающих пену факторов различен, поэтому для получения выражения требуемой взаимосвязи параметров тушения пожара, важно правильно определиться с лимитирующими причинами разрушения пены. При тушении пламени легковоспламеняющихся жидкостей, имеющего высокую излучающую способность, удельная скорость разрушения пены определяется величиной теплового потока от факела пламени, который изменяется в процессе покрытия поверхности горения пеной от максимальной величины при стационарном процессе горения до нуля, когда пламя потушено. В этом случае разрушение пены от контактного взаимодействия с горючим, по сравнению с тепловым разрушением, незначительно и при решении уравнения материального баланса не учитывается. При использовании фторированных пенообразователей сорбционного поглощения паров пожароопасной жидкости пеной не происходит, а разрушение пены под действием гидростатического давления ее столба по сравнению с температурным воздействием пламени пренебрежительно мало.
Аналитическая зависимость времени тушения пламени легковоспламеняющихся жидкостей пеной, в которой учитывается только термическое разрушение пены, с большой степенью точности соотносится с экспериментальными данными, что подтверждает правомочность такого подхода для решения поставленной задачи.
Нами предпринята попытка установить аналитическую взаимосвязь времени тушения с интенсивностью подачи пены из составов, образующих полимерный разделительный слой при контакте с органическими жидкостями, и оптимизировать параметры процесса тушения их пламени.
Общеизвестно, что излучающая способность пламени с увеличением атомов углерода в молекуле вещества возрастает, а их растворимость в воде снижается. При этом увеличивается тепловой поток от факела пламени, но в сравнении с контактным разрушением пены органическим растворителем роль термического воздействия незначительна и при решении системы уравнении (3.5), (3.6) нами не учитывается.
В процессе тушения пламени ограниченно растворимых жидкостей, подобных бутанолу, влияние их разбавления продуктами распада пены на изменение скорости контактного разрушения пены снижается. Поэтому для этого случая принято, что удельная скорость разрушения пены остается постоянной в течение всего времени ликвидации горения и ее значение соответствует максимальной скорости контактного разрушения пены неразбавленным растворителем.
Предполагается, что в процессе подачи пены на поверхность горения, после разрушения первых ее порций в результате контактного взаимодействия, на этом участке уже сформировалась полимерная пленка. При этом принято, что на площади, покрытой пеной, удельная скорость разрушения пены равна нулю. Разрушению подвергается только наружный слой пены шириной [171].
Процесс растекания пены по поверхности горения сопровождается синерезисом раствора пенообразователя из пенных каналов в пожароопасную жидкость, так что концентрация полимера в пене, обеспечивающего ее контактную устойчивость, снижается за счет истечения полимерсодержащего раствора из пены в горючую жидкость. Вследствие этого движение пены от пункта подачи к борту резервуара устойчивость пены в процессе ее перемещения будет снижаться по мере ее удаления от места подачи. Нашей моделью принято, что удельная массовая скорость контактного разрушения константна [172]. При таком условии можно предположить, что увеличение скорости разрушения пены будет связано с увеличением ширины зоны разрушения. То есть по мере увеличения радиуса поверхности, покрытой пеной, значение будет возрастать. Для этого случая примем, что где у - коэффициент пропорциональности, зависящий от гидростатической устойчивости пены, концентрации полимерного вещества в растворе пенообразователя и высаливающей концентрации растворителя, то есть той концентрации растворителя в водно-органической смеси, при которой происходит коагуляция полимера.