Пленкообразующие пенообразователи и их способность к самопроизвольному растеканию по поверхности нефтепродуктов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

7. Радиационная и химическая защита. Учеб. пособ. Ч. 2. Обеспечение защиты сил РСЧС, населения и окружающей среды от радиоактивных, аварийно химически опасных веществ и биологических средств. - Химки: АГЗ МЧС России, 2010.

ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИЕ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ

СПОСОБНОСТЬ К САМОПРОИЗВОЛЬНОМУ РАСТЕКАНИЮ ПО ПОВЕРХНОСТИ НЕФТЕПРОДУКТОВ

И.П. Макарова, аспирант, Е.Н. Дегаев, аспирант, Д.А. Корольченко, доцент, к.т.н., А.Ф. Шароварников, профессор, д.т.н., Московский государственный строительный университет,

г. Москва

Тушение пожаров нефтепродуктов при аварийных розливах на транспорте, на автозаправочных станциях и при разрушении резервуаров с нефтью, наиболее эффективно при использовании пленкообразующих пенообразователей [1].

Основное отличие пленкообразующих пенообразователей заключается, в особенно низком поверхностном натяжении, величина которого, существенно ниже, чем у нефтепродукта. О пленкообразующей способности пенообразователей судят по величине коэффициента растекания водного раствора по поверхности углеводорода. Если величина коэффициента растекания положительна, то следует ожидать самопроизвольного растекания капель раствора по поверхности нефтепродукта. Это положение базируется на втором законе термодинамики, из которого следует, что процесс может произойти самопроизвольно только при снижении свободной энергии системы.

В связи с дискуссией о точности методов измерений межфазного натяжения, величина которого сопоставима с погрешностью измерений прибора, поставлена задача определить скорость растекания прямыми измерениями, путем непосредственного измерения изменения диаметра капель во времени.

Цель данной работы экспериментально изучить процесс растекания водных капель по поверхности нефтепродуктов. В качестве нефтепродуктов использовали бензин, дизельное топливо и гептан.

Для измерения размера капли использовали бинокулярный микроскоп. Каплю исследуемого водного раствора наносили с помощью иголки на поверхность углеводорода. Время наблюдений не превышало 30 с. Всвязи с высокой погрешностью измерений эксперименты многократно повторяли.

Поверхностное и межфазное натяжение определяли методом отрыва кольца [2]. На рисунке 1 представлены изотермы поверхностного и межфазного

натяжения, а также коэффициент растекания водного раствора по углеводороду - /а. Величину коэффициента растекания определяли по формуле:

/а = аГ - (аР + аМФ) (1)

Величина поверхностного натяжения раствора на границе с воздухом - аР составляют 16... 19 мН/м; величина межфазного поверхностного натяжения аМФ = 1,0...6,0 мН/м. Чтобы обеспечить растекание капли по углеводородам, которые имеют аГ = 22 мН/м, необходимо иметь водный раствор с аР= 16 мН/м, а межфазное натяжение аМФ = 2,5 мН/м. В этом случае /а = 2,0...3,0 мН/м.

Получить столь низкие значения поверхностного натяжения можно только с помощью фторсодержащих поверхностно-активных веществ - ФПАВ. Особая структура этих молекул позволяет настолько ослабить взаимодействие молекул воды в поверхностном слое, что его величина снижается с 72 до 15...18 мН/м. Следует отметить, что поверхностное натяжение водных растворов обычных, углеводородных, пенообразователей составляет 28...35 мН/м

Особенность ФПАВ - обеспечение водному раствору инертность к действию углеводородов, с которыми раствор пенообразователя не смешивается и не растворяется. Пена, полученная из пленкообразующих пенообразователей, может подаваться на горящую поверхность нефтепродукта с большого расстояния.

Принимая к вниманию особые свойства водных растворов пленкообразующих пенообразователей, предложена технология тушения нефтепродуктов подачей водных растворов, направленными струями, распыленной воды. Исследования по тушению углеводородов распыленной водой проводились в работах [3-6].

В момент попадания капли распыленного раствора ФПАВ на поверхность углеводорода, формируется профиль контакта на границе соприкосновения не смешивающихся жидких фаз. Профиль линии контакта зависит от характера взаимного смачивания водного раствора и углеводорода.

На рисунке 1 приведены результаты экспериментов, проведенных с растворами пенообразователя «Шторм Ф». Использованы растворы, имеющие положительный коэффициент растекания 2,5 мН/м и 6,5 мН/м.

^ Р= 6,5 мЦ/м ■ и

■___и ■ 11

А

Л Л

у р Кр = 2, 3 мН/м

А м И

О 5 10 15 20 25 30 Время, с

Рис. 1. Растекание капли раствора пенообразователя Шторм Ф с различным коэффициентом растекания по поверхности дизельного топлива

На графике показаны все экспериментальные измерения без усреднения значения. Как видно экспериментальные результаты могут быть усреднены в виде пунктирной кривой. Чем выше коэффициент растекания, тем быстрее растекается капля раствора по углеводороду. Аналогичные результаты получены с использованием бензина и гептана, которые представлены на рисунках 2 и 3.

15

,10

Кр= 1, Э мН/м ••• •

\ г • > • >

а Кр = 0, 5 мН/м

20

А > 1.3 I 1Н/м

▲1 X А 4

А.И с/' к р +1.0 мН/м

$ к А' & \

Г ч / к Р + о.; Г-Н мН/м

—' 7 <

10

15

20

25

Время, с

Рис. 2. Растекание капли раствора пенообразователя Шторм Ф с различным коэффициентом растекания, по поверхности

бензина

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Время, с

Рис. 3. Растекание капли раствора пенообразователя Шторм Ф с различным коэффициентом растекания, по поверхности гептана

Рис. 4. Экспериментально полученные и рассчитанные по формуле Шулейкина результаты исследования процесса растекания капель с положительным коэффициентом растекания

по поверхности дизельного топлива

Теоретический аспект растекания капель масла по поверхности воды рассмотрен в работе Шулейкина [7]. На основе рассмотрения движущей силы, сосредоточенной по линии контакта двух жидкостей, им предложена формула для расчета скорости растекания капли жидкости по жидкой подложке:

и = 2,Г

N

Га

(2)

Формула связывает поверхностное давление с физическими параметрами жидкости - подложки. Величина поверхностного давления, численно равная коэффициенту растекания, /а, составляет, величину, максимум 2,0 мН/м для

гептана и бензина и 8 мН/м для дизтоплива. Вязкость углеводородов ц составляет: 0,4 Па*с, для гептана, 0,5 Па*с для бензина и 1,5 Па*с для

-5

дизтоплива; средняя плотность р = 1000 кг/м ; исходный радиус капли составляет Ro = 1-10-3м; R = 1-10-2 м.

Используя формулу (2) и результаты экспериментов построены графики теоретически полученной и экспериментальные кривые, которые получены обработкой результатов, полученных при использовании дизельного топлива. Наблюдается удовлетворительная корреляция результатов расчета и эксперимента.

Экспериментальные исследования показали, что растворы, имеющие положительную величину коэффициента растекания, растекаются по поверхности углеводородов и скорость растекания тем выше, чем больше величина коэффициента растекания.

Список использованной литературы

1. Шароварников А.Ф., Молчанов В.П., Воевода С.С., Шароварников С.А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. - М.: Изд. дом «Калан», 2002. -448 с.

2. ГОСТ Р 50588-2012. Пенообразователи для тушения пожаров» Общие технические требования и методы испытаний. - Введ. 01.09.2012 г. -М.: Стандартинформ, 2012.

3. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. - М.: АН СССР, 1961. - 208 с.

4. Петров И.И., Реутт В.Ч. Тушение пламени горючих жидкостей. Изд. МКХ РСФСР. М.: 1961. - 143 с.

5. Rasbash D.J., «Extinction of Fire with Plain Water: A Review,» Proceedings of the First International Symposium on Fire Safety Science, Hemisphere Publishing Corporation,- 1986, pp. 1145-1163

6. Горшков В.И. Тушение пламени горючих жидкостей. - М.: Пожнаука, 2007. - 268 с.

7. Шулейкин В.В. Физика моря М. - Изд. Наука. 1968. - С. 88