Защита аппаратов емкостного типа от взрыва

В настоящее время при разработке взрывозащищенного оборудования исходят из двух принципов:

- быстрое обнаружение и быстрое погашение очага загора­ния в момент возникновения;

- не допускание перехода процесса горения в детонацию.

Принцип подавления очага загорания заключается в обна­ружении его начальной стадии высокочувствительными датчи­ками и быстром введении в защищаемый аппарат ингибитора и охлаждающей жидкости.

Принципиальная схема защиты аппарата от взрыва заключа­ется в следующем (рис. 7.1). Индикатор пламени 1, обнаружив очаг загорания 2, посылает командный сигнал через блок управ­ления или АСУТП 3 на взрывчатое вещество 4, которое, сработав, создает давление, под действием последнего ингибитор 6 и ох­лаждающая жидкость 7, находящиеся в огнетушителях, подают­ся в полость защищаемого аппарата 8. Чтобы не допустить рас­пространение пламени по пневмотранспорту 9, применяются быстродействующие отсекающие устройства 10, срабатывающие от давления взрыва. Если действия ингибитора и охлаждающей жидкости не по­давляют очаг загорания, то горение взрывчатого материала в аппарате продолжается с ростом давления, что может привести к разрушению аппарата или переходу горения в детонацию! Для сброса избыточного давления в аппарате предусматривается раз­рывная мембрана 11.

При импульсном введении в полость аппарата ингибитора и охлаждающей жидкости происходит их интенсивное воздейст­вие на фронт пламени, горючие материалы и продукты сгорания. Гашение пламени связано с подавлением химической реакции между горючими и окислителями. Эти химические реакции раз­виваются через активные центры. Ингибиторы, вступая в химическую реакцию с активными центрами* не оставляют их для процессов горения - происходит ослабление или даже полное подавление химической реакции горения. Химическая реакция имеет место, если преодолевается потенциальный барьер. Охла­ждение исходных продуктов и продуктов сгорания препятствует преодолению потенциального барьера.

Рис. 7.1. Схема защиты аппарата от взрыва

Ингибирование и флегматизация горючих материалов

Под ингибиторами понимаются вещества, замедляющие и подавляющие химические реакции горения. В качестве ингиби­торов применяются галоидпроизводные углеводородов, чаще всего метана и этана, такие как трифторбромметана и тетрафтордибромэтана и т.д. В технике пожаро- и взрывозащиты все эти химические соедине­ния называют хладонами.

Одна из основных задач ингибиторов - превратить горючую смесь в негорючую.

В последние годы активно изучаются порошковые огнету­шащие составы. Эксперименты показали, что наиболее эффек­тивными являются составы на основе карбонатов и бикарбона­тов натрия и калия, аммонийных солей фосфорной, серной, бор­ной и щавелевой кислот. Механизм действия порошковых со­ставов на химические реакции горения в аспекте их замедления или подавления изучен недостаточно. Одни исследователи пред­полагают, что ингибирование химической реакции горения осуществляется продуктами термического разложения и испаре­ния порошков, а другие исследователи отдают предпочтение гетерогенной нейтрализации активных центров на поверхности порошков.

Имеются литературные данные, показывающие, что хлори­ды щелочных металлов, такие как КСl и NaCl, более эффектив­ны, чем бикарбонаты щелочных металлов. Предполагается', что ингибирование химической реакции горения солями щелочных металлов связано с гибелью активных центров, таких как ато­марный кислород, и кислородсодержащих радикалов.

Эффективность порошковых ингибиторов в значительной степени зависит от их дисперсности - более мелкие фракции обладают большим полезным действием. В связи с этим разра­ботаны порошковые составы на основе оксалатов щелочных ме­таллов, обладающие повышенной эффективностью за счет их способности растрескиваться в зоне пламени, образуя большое количество мельчайших частиц.

Механизм ингибирования процесса горения, описываемый в литературе, во многих случаях имеет отношение к горючим га­зовым системам. Во многих технологических процессах участ­вуют материалы, находящиеся в твердом дисперсном состоянии. Внутри аппаратов и в воздухе производственных помещений дисперсные материалы образуют аэрозоли - системы, состоящие из твердых частиц, распределенных в газовой среде. Если аэро­золи горючи, то они представляют ‘Потенциальную опасность в плане взрыва. На практике имело место достаточное количест­во пылевых взрывов с разрушительным эффектом. Полностью предупредить пылевые взрывы по Тем или иным объективным причинам не удается. Поэтому один из принципов взрывозащи­ты - погасить загорание веществ в момент возникновения - ос­тается в силе и для твердых дисперсных материалов. Для взры­возащиты аппарата перспективным является применение авто­матических систем подавления начавшегося загорания дисперс­ных частиц. Подавление загорания мелких твердых частиц имеет ряд существенных особенностей. Прежде чем произойдет заго­рание горючего дисперсного материала от локального теплового источника, материал нагревается до достаточно высокой темпе­ратуры, при которой происходит термическое разложение, при­водящее к горению за счет кислорода воздуха или собственного окислителя. В подавлении очага загорания важным является не только ингибирование химических реакций в газовой зоне, а также охлаждение нагретых частиц. Поэтому все рекомендации, применяемые для подавления очага загорания газовых систем, полностью не могут быть распространены на дисперсные мате­риалы. В рассмотренной системе автоматической защиты аппа­рата от взрыва пламегасящие вещества в аппарат вводятся в мо­мент появления очага загорания.

Представляют интерес технологические операции, проводя­щиеся с горючими веществами, предварительно перемешанными с пламегасящими добавками. Такие смеси условно могут рас­сматриваться как негорючие. При этом в качестве добавок ис­пользуются флегматизаторы и ингибиторы. Под флегматизаторами понимаются инертные добавки, которые в химических превращениях не участвуют, но способствуют подавлению оча­гов загорания. Для флегматизации применение находят такие инертные добавки, как СО₂, Н₂О и N₂. Механизм подавления реакции горения ингибиторами рассмотрен выше: они отнимают активные центры химической реакции. Нельзя сказать, что в указанной негорючей смеси химическая реакция не возникает. Под действием производственных локальных источников хими­ческая реакция между горючим и окислителем может иметь место. Однако, если содержание флегматизаторов в смеси будет в достаточном количестве, значительная часть энергии от. ©чага загорания расходуется на нагрев инертных добавок. В результа­те очаг загорания не переходит в процесс устойчивого горения.

Проведение технологических операций в среде с флегмати- заторами и ингибиторами рассматривается как один из надеж­ных способов предупреждения взрывов. На производствах ЭНМ предварительное приготовление негорючей смеси с флегматиза- торами и ингибиторами находит применение при проведении особо опасных операций. В качестве флегматизаторов могут выступать само избыточное горючее или другие органические добавки. Метод флегматизации газовых смесей широко исполь­зуется на практике для повышения взрывобезопасности техноло­гического оборудования и др. Практическое применение флегматизации возможно, если имеются надежные данные по концентрационным пределам распространения пламени газовых, смесей.

В связи с этим необходим поиск альтернатив бромхладонам, которые не действовали бы на озонный слой атмосферы. В настоящее время исследования, направленные на поиск экологи­чески чистых ингибиторов* проводятся во всем мире. В таком аспекте в работе экспериментально исследовано влияние ингибиторов различной химической природы на концентраци­онные пределы распространения пламени в смесях водород- воздух и метан-воздух в замкнутом сосуде.

Показано, что ингибиторы - смеси углеводородов на основе пропилена- обладают высокой ингибирующей способностью. Поиск и исследование новых эффективных и экологически безопасных пламегасителей являются одной из приоритетных задач в области пламегашения. В связи с этим в работе в качестве объектов исследования принимают фосфорорганические (ФОС), фторорганические (ФС) и металлсодержащие со­единения (МСС). Наиболее перспективными для замены оказались фосфорорганические и металлсодержащие соединения. Эффективность ингибиторов горения в значительной сте­пени определяет надежность систем противопожарной и противовзрывной защиты, применяемых во многих областях техники. В последнее время интенсивно развивается технология тушения пожаров при помощи тонкораспыленной или диспергированной воды, где размер капель составляет 100 мкм и менее. При этом эффективность использования воды практически составляет 100 %, а при традиционных методах - порядка 5 %. Разрабаты­ваются способы создания газокапельной струи непрерывного действия.

Ведутся исследования по созданию импульсных методов диспергирования и других сред. Лабораторные экс­перименты, выполненные в работе, показали, что импульс­ное воздействие диспергированной воды приводит к быстрому гашению пламени. Пламя - это внешний эффект химической реакции между молекулами горючего и окислителя.