4.13.2 Особенности применения огнетушащих веществ для взрывозащиты
Выбор огнетушащего вещества для взрывоподавляющих устройств производится в зависимости от условий технологического процесса и физико-химических свойств обращающихся продуктов. В свою очередь применение того или иного огнетушащего вещества предопределяет способы взрывозащиты технологического оборудования. При выборе огнетушащих веществ кроме фактора эффективности действия учитывают также их совместимость с технологическим продуктом, т.е обеспечение возможности дальнейшей его переработки в случае срабатывания систем взрывозащиты.
Для подавления взрыва огнетушащее вещество должно выполнять раздельно или в совокупности следующие функции:
создавать избыточные концентрации горючего или окислителя, при которых невозможно воспламенение смеси;
флегматизацию взрывоопасной смеси инертным разбавителем или продуктами химических реакций;
химическое ингибирование.
На практике обеспечение избытка окислителя предпочтительно для взрывоопасных смесей с высоким значением нижнего концентрационного предела воспламенения (НКП).
Однако большинство горючих смесей имеет низкое значение НКП (1,5-3%), и обеспечение взрывобезопасности путем создания избытка окислителя значительно снизило бы производительность технологического процесса.
Поэтому такой способ практикуется лишь при аварийных утечках взрывоопасного газа из герметических технологических аппаратов.
Для взрывоопасных смесей с верхним концентрационным пределом до 15-30%
может оказаться целесообразным переобогащение смеси горючим и поддержание такой концентрации на заданном уровне в течении всего цикла технологического процесса.
Во многих случаях более надежным способом обеспечения взрывобезопасности является осуществление технологического процесса в среде инертного разбавителя или продуктов химических реакций. Наиболее доступными флегмагизаторами являются СО2, N2, Н2О, но их применение в значительном количестве затрудняет полное превращение исходных продуктов, требует применение дополнительного технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры, что снижает экономическую эффективность производства.
Анализ флегматизирующей эффективности инертных разбавителей свидетельствует, что для обеспечения взрывоопасных концентраций горючего в атмосфере воздуха, содержание инертных добавок должно значительно превосходить концентрацию горючего.
Применение воды для подавления взрывов представляется заманчивым вследствие её доступности и дешевизны. Однако небольшие добавки паров воды оказывают промотирующее действие на горение некоторых веществ. В частности при изменении содержания паров воды от 0,04 до 2,5 объемных процентов скорость горения сероуглеродовоздушных смесей увеличивается в 2 раза. Поэтому для подавления взрывов требуется значительное количество воды, причем наиболее эффективно ее легкодисперсное распыление, образующееся при дисперсировании под давлением свыше 5 Мпа.
Более эффективное действие на сужение концентрационных пределов и на процесс подавления взрывов оказывают химические ингибиторы, особенно галоидоуглеводороды. Наличие в молекуле разных галоидов улучшает огнетушащую способность: СF3Вг эффективнее СF4, С2F4Вг2 эффективнее С2Н5Вг и т.д. Экономически целесообразным считается использование для взрывозащиты следующих галоидоуглеродов: ССl4, СF4, СНВг3, СС13F, СF2Вг2, СН3Вг, СН2С1Вг, СС1Р2Вг, СF3Вг, С2Н,Вг, С2Н4Вг2 С3Н6Вr2,С4Н8Вг2. Однако следует учесть, что СН3Вг, ССl4, ССl3F2, СН2СlВг являются токсичными веществами, и применение их в ряде случаев для подавления взрывов не допускается.
Наиболее эффективны фторбромсодержащие углеводороды - фреоны 216В2, 12В2, 114В2 и 13В1. Значительный эффект достигается при действии комбинированных огнетушащих веществ, например, при совокупности галоидоуглеводородов с двуокисью углерода, азотом, диэтиламином. Совместное их действе в большей степени тормозит процесс горения взрывоопасных смесей, чем ингибирование каждым огнетушащим веществом в отдельности. Следует учитывать, что факторы, способствующие увеличению скорости распространения пламени (примеси паров воды, увеличение содержания водорода или окиси углерода, повышение температуры смеси), влекут за собой необходимость увеличения потребного количества галоидоуглеводородов для ингибирования горения и флегматизации горючей смеси.
Применение сжиженных фреонов в системах противовзрывной защиты представляется более перспективным но сравнению с жидким, поскольку в равных объемных соотношениях они имеют примерно одинаковую огнетушащую эффективность, а скорость их испарения значительно превосходит скорость испарения жидких фреонов Благодаря этому за короткий промежуток времени достигается более равномерная объемная концентрация огнетушащего вещества в аппаратах значительной емкости, оснащенных различными перемешивающими устройствами, препятствующими транспортировке распыленных жидких фреонов в зону горения.
В последние годы для подавления взрывов газо-, паро- пылевоздушных смесей все более широко используют порошковые составы на основе солей щелочных металлов (бикарбоната и карбоната натрия и калия), амонийных солей фосфорной кислоты, а также солей серной, борной и щавелевой кислот. Достоинством этих веществ является универсальность применения для подавления горения широкого класса горючих сред, высокая эффективность действия, отсутствие токсичности. Для тушения пламени газов (например, водорода, углеводородов и др.) эффективно огнетушащее вещество, состоящее из мочевины, карбоната, бикарбоната и гидроокиси натрия или калия, или смеси гидроокисей натрия и калия с мочевиной. Для подавления взрывов пыли органических пигментов, декстрина и угля порошковые составы типа фосфата аммония и бикарбоната натрия более эффективны, чем галоидоуглеводородные ингибиторы горения.
Способ подачи огнетушащего вещества во многом зависит от принятых методов взрывозащиты и вида огнетушащего вещества. Для предварительной флегматизации взрывоопасной среды целесообразно использование сжиженных галоидоуглеводородов (например, фреона 13В1) или инертных газов СО2, N2. Равномерность интенсивности и плотности подачи огнетушащего вещества во внутреннюю полость защищаемого аппарата в этом случае не играет существенного значения, так как время образования взрывоопасных концентраций значительно превышает продолжительность впрыска огнетушащего вещества и перемешивания его с взрывоопасной средой.
Для подавления взрывов целесообразно использовать жидкие, сжиженные и порошковые огнетушащие вещества. Непременным условием надежного подавления взрывов является обеспечение по всему защищаемому объему требуемых удельной плотности и интенсивности орошения. Огнетушащее вещество должно последовательно локализовать горение в переднем фронте пламени, снизить температуру продуктов горения во внутренней сфере пламени, а также локализовать горение в заднем фронте пламени. Следовательно, чем больше геометрические размеры пламени в момент взаимодействия с огнетушащим веществом, тем больший путь предстоит проделать капельной жидкости или порошкообразному веществу в высокотемпературной зоне горения и продуктов сгорания, чтобы достигнуть заднего фронта пламени и полностью ингибировать горение. При неизменной интенсивности орошения и больших размерах пламени необходимо увеличить продолжительность подачи огнетушащего вещества в зону горения, чтобы обеспечить доставку огнетушащего вещества в задний фронт пламени, а также снизить температуру в зоне продуктов горения (до температуры ниже температуры самовоспламенения горючей смеси). Эффективность подавления взрывов принятым количеством огнетушащего вещества зависит от размера пламени, а следовательно, от своевременного обнаружения очага горения. При экспериментальных исследованиях, проведенных с быстрогорящими взрывоопасными смесями (при одинаковых условиях), установлено, что подавление взрывов наблюдается в узком временном интервале, соответствующем вполне определенным размерам пламени. Это весьма важное обстоятельство необходимо учитывать при определении потребного быстродействия системы противовзрывной защиты технологических аппаратов различной емкости, укомплектованных взрывоподавляюшими устройствами с заданным объемом огнетушащего вещества.
Требуемая интенсивность орошения является величиной переменной, функционально зависящей от размеров пламени. Необходимое для подавления взрыва количество огнетушащего вещества значительно сохраняется при одновременном его диспергировании с противоположных сторон, так как в этом случае капельной жидкости достаточно локализовать горение и снизить температуру во встречном относительно распылителя фронте пламени. При заданном ограниченном количестве огнетушащей жидкости предпочтительно добиваться более мелкого ее распыления, так как мелкие капли обеспечивают значительно более высокую скорость генерирования паровой фазы огнетушащего вещества. Повысить концентрацию пара в заданный интервал времени можно также путем увеличения размера капель при одновременном увеличении общего количества огнетушащего вещества. Если допустить, что при этом число капель должно оставаться неизменным, то с увеличением диаметра d капель расход огнетушащего вещества Q увеличивается в степенной зависимости, так как
, (4.42)
где Q – расход мелкодиспергированного огнетушащего вещества; Qn – расход крупных капель.
В процессе перемещения огнетушащего вещества во внутреннем объеме не происходит интенсивного накопления паров флегматизатора, так как благодаря притоку новых капель газопаровая фаза уносится потоком к переферии факела. Вследствие этого во фронте факела струй повышается концентрация паров огнетушащего вещества, которые можно рассматривать как упругую оболочку, замыкающую факел распыленной жидкости, образующую соответствующий "микроклимат" и препятствующую интенсивному испарению внутренних капель.
Выбор конкретного вида огнетушащего вещества и способа его подачи определяется также экономической целесообразностью. Использование газообразных веществ и низкокипящих жидкостей, как правило, не вызывает порчи исходного горючего продукта; высококипящие жидкости и порошковые составы в определенных весовых отношениях делают технологическое сырье непригодным к дальнейшей переработке.