CC BY
144
УДК 66.022.387
Б.С. Сажин, В.В. Козляков, Д.Л. Раков, В.Н. Саранцев, В.Б. Сажин
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ХИМИЧЕСКОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ВЗРЫВА ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ И МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
Hydrogen energy is one of the key areas of modernization and technological development of economy. The paper discusses the various highly effective means of protection - inhibitors, which allow you to control combustion and explosion of hydrogen-air mixtures. The most effective inhibitors in relation to the burning of hydrogen in air have been proposed and tested olefinic compounds.
Водородная энергетика одно из ключевых направлений модернизации и технологического развития экономики страны. В работе рассмотрены различные высокоэффективные средства защиты - ингибиторы, позволяющие управлять горением и взрывом водородновоздушных смесей. В качестве наиболее эффективных ингибиторов применительно к горению смесей водорода в воздухе были предложены и испытаны олефиновые соединения.
Наиболее перспективным направлением развития и коммерциализации водородных технологий является создание «водородных» автомобилей с бортовой системой хранения водорода. Водород - это лёгкий горючий газ без запаха. Из-за низкой молекулярной массы водород обладает самой большой звуковой скоростью и способностью к диффузии и легко просачивается через малейшие дефекты уплотнений. Многие металлы также не являются для него непреодолимой преградой. Некоторые металлы под действием водорода теряют свою структуру. Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Также водород пожаро- и взрывоопасен.
При всем многообразии видов опасности при работе с водородом наиболее опасно его неконтролируемое воспламенение, для чего необходимо одновременное присутствие водорода, окислителя (например, воздуха) и источника воспламенения. В роли последнего может оказаться ряд обычных для производства и быта процессов - открытый огонь, нагревание поверхностей, трение, электростатические разряды, в том числе весьма слабые, даже не воспринимаемые органами чувств человека, и т.д. Смеси водорода и окислителей горючи в широком диапазоне концентраций (от 4 до 75 объемных процентов в воздухе), температур и давлений и особенно легко воспламеняемы стехиометрического состава (около 30 %), что определяет их повышенную опасность в замкнутом пространстве.
Горение водорода в замкнутом пространстве в большинстве случаев приводит к дефлаграции - взрывному режиму, характеризующемуся турбулентным распространением пламени с высокой скоростью, меньшей скорости звука в неохваченной горением среде, и существенным ростом давления после сгорания по сравнению с начальным для стехиометрической смеси.
При определенных условиях дефлаграция переходит в наиболее опасный взрывной режим - детонацию, когда ударный фронт, скорость распространения которого превышает скорость звука в неохваченной горением среде, ведет за собой зону самовоспламенения и последующего горения, а давление может увеличиться в несколько раз. Поражающее действие газового взрыва определяется амплитудой взрывной волны (которая в основном зависит от скорости взрывного превращения) и ее импульсом (который зависит от уровня энергии взрыва). Следует здесь отметить, что по показателю давления взрыва (амплитуде волны) водород намного превосходит другие горючие газы, что делает его более опасным [1].
Одной из основных проблем, ограничивающих широкое использование водорода в качестве топлива для различных отраслей, является его повышенная воспламеняемость и взрывоопасность. Необходимо обеспечить безопасность при использовании водородно-воздушных и метано-воздухных смесей.
Метан менее взрывоопасен, чем водород, его концентрационные пределы более узкие от 4% до 15%. Но метан также чувствителен к слабым импульсам, что может привести к воспламенению.
Осциллограф
Газ 1 Газ 2 Газ 3
> Насос
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения замедления процессов горения и взрывов
Чл.-корр. РАН В.В. Азатяном предложены высокоэффективные средства защиты-ингибиторы, позволяющие управлять горением и взрывом во-дородно-воздушных смесей. В качестве эффективных ингибиторов приме-
Фотодатчик
Пьезодатчик
давления
25,2 см
V
1 * 1 Манометр ▼ Воздух Вакуумметр
Поджиг
нительно к горению смесей водорода в воздухе были предложены и испытаны олефиновые соединения.
Реакции проводили в герметичном цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали диаметром 12,6 см и высотой 25,2 см (рис. 1). Рабочие смеси составляли в самом реакторе по парциальным давлениям компонентов с погрешностью 0,4% относительно концентраций Нг и воздуха. Относительная же погрешность в оценке концентраций ингибиторов составляла 4%, поскольку концентрации этих присадок малы. Компоненты напускались в откачанный реактор в следующей последовательности: малая добавка, водород, воздух. Начальные давление и температура смесей были равны 1,0 бар и 293 К соответственно. Во всех экспериментах настоящей работы использовался электролитический водород (99,99%). Чистота изобутена составляла 99%. Зажигание смесей производили с помощью искры между электродами, вмонтированными у нижнего конца реактора. Энергия инициирующего импульса составляла 3,6 Дж. Зажигание проводили спустя время после набора в реактор, необходимое для полного перемешивания компонентов (20 минут). С момента инициирования горения и до его завершения синхронно регистрировались давление и хемилюминесценция. После каждого опыта реактор откачивали до = 2 Па.
-•-33,5% Н2 + 1% 1-С4Н8 ♦ воздух -«-33,5% Н2 + 1,5% 1-С4Н8 ♦ воздух -*-33,5% Н2 + воздух Рис. 2. Интенсивность горения смеси 33,5Н2 в воздухе
Были произведены опыты при содержании водорода в воздухе 33,5% с добавлением ингибитора С4Н8 в количестве 1%, 1,5%, 2% и без ингибитора (Рис. 2). При добавлении к водородно-воздушной смеси ингибитора в количестве 2% возгорание не произошло.Полученные данные показывают, что примеси олефинов в количествах даже долей процента предотвращают воспламенение водородо-воздушных смесей, приводят к увеличению необхо-
димой энергии зажигания и тем самым сокращают число возможных источников неконтролируемого воспламенения.
Минимальная энергия, необходимая для зажигания смеси, тем сильнее, чем больше концентрация примеси ингибитораПод воздействием оле-финов снижается верхний концентрационный предел распространения пламени, т.е. затрудняется воспламенение. Уменьшается также темп развития горения: в течение всего процесса кинетические кривые давления и хеми-люминесценции более пологие, чем в отсутствии добавок.
При наличии олефинов горение прекращается раньше, чем в отсутствии ингибитора. Достаточная концентрация ингибитора — 2%. Для сравнения — инертного газа аргона требуется 80%. Наличие 1% ингибитора предотвращает переход горения во взрыв любых смесей водорода в воздухе. Выводы.
1. Для заметного торможения процесса требуются такие малые количества этих веществ, при которых другие свойства реакционных смесей фактически не изменяются, и не заслоняют эффект ингибирования как в режимах воспламенения и распространения пламени, так и в режиме детонации.
2. Ингибиторы коррозионно безопасны, не токсичны и недороги. Они успешно прошли тестовые испытания [2-5].
3. Также были произведены опыты при содержании метана в воздухе 6%, 7%, 8%, 10%, 14% с добавлением ингибитора и углекислоты. Проведенные эксперименты показали, что введение в любые метано-воздушные смеси присадок, состоящих из 2% и более бутилена (ьСфН^) совместно с 15% СОг предотвращает воспламенение и горение при любых попытках их инициирования.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 10-08-00336а)
Библиографические ссылки
1. Гельфанд, Б.Е. Газовые взрывы / Б.Е. Гельфанд, М.В. Сильников. СПб.: Астерион, 2007. - 238 с.
2. Азатян, В.В. Влияние химически активных добавок на детонацию в смесях водорода с воздухом/ В.В. Азатян, Г.Г. Вагнер, Г.К. Ведешкин// Журнал физической химии, 2004. Т.78. № 6. С. 1036-1044.
3. Аветисян, А. А. Влияние молекулярного строения примесей олефинов на закономерности горения и взрыва водородо-воздушных смесей /А.А. Аветисян, В.В. Азатян, В.И. Калачев [и др.]; // Кинетика и катализ, 2007. Т. 48. №.1. С. 12-21.
4. Азатян В.В. Новые подходы и решения водородной энергетики / В.В. Азатян, Козляков В.В .//Сб. науч. докладов III международного совещания но проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШРАН, 2002. С. 18-22.
5. Азатян В.В., Калачёв В.И., Мержанов А.Г. О теоретических основах химических методов управления горением и взрывом водородо воздушных смесей // Сб. науч. докл. IV Международное совещание по проблемам энер-
гоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН, 2004. С.11-28.
УДК 66.047
В.В. Козляков, В.Б. Сажин, Е.А. Абдулина, М.Б. Доржиева, Е.Г. Баталов, М.Б. Сажина
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский заочный институт текстильной и лёгкой промышленности Московского государственного университета технологий и управления им. В.К. Разумовского, Москва, Россия
ВИХРЕВЫЕ РЕЖИМЫ В АППАРАТАХ С АКТИВНОЙ ГИДРОДИНАМИКОЙ
Vortical modes in devices with active hydrodynamics which are used for division of gases into cold and hot streams, and also pumping out (vacuum pumps) as dehumidifiers, separators the system of the equations in dimensionless variables Is etc. resulted are considered.
Рассмотрены вихревые режимы в аппаратах с активной гидродинамикой, которые используются для разделения газов на холодный и горячий потоки, а также вакуумирова-ния (вакуум-насосы), как осушители, сепараторы и т.д. Приведена система уравнений в безразмерных переменных.
Самым распространенным, сложным, важным и энергоемким процессом является сушка материалов [1]. Сушке подвергаются десятки тысяч разнообразных продуктов всех отраслей промышленности сельского хозяйства. Сушка является сложным технологическим процессом, зависящим от большого числа факторов. При сушке удаляется в виде пара или жидкости легколетучий компонент. Например, вода, органический растворитель или смесь.
В процессе сушки влажный материал стремится к фазовому равновесию, при котором наступает равенство химических потенциалов жидкости и ее пара. При достижении этого равновесия сушка прекращается. Сушка является неравновесным процессом, обусловленным разностью химических потенциалов.
Процесс переноса можно описать градиентным законом. Например, законы Фурье, Фика, Ньютона для вязких жидкостей. Суть такого закона состоит в том, что плотность переноса пропорциональна градиенту потенциала переноса. Термодинамические величины обычно разделяют на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные величины зависят от внутреннего состояния
