Тушение углеводородов пленкообразующими пенами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ

Д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры Академии ГПС МЧС РФ

С. С. Воевода

Канд. техн. наук, заместитель начальника Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС РФ

В. П. Крейтор

Адъюнкт Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС РФ

В. В. Бузюк

УДК 614.84.664

ТУШЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИМИ ПЕНАМИ

Представлены результаты лабораторных исследований свойств пленкообразующих пенообразователей и противопожарной пены, приготовленной на их основе.

По результатам проведенных опытов с экспериментальными составами на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной природы было определено влияние содержания компонентов пенообразователя на огнетушащие свойства пленкообразующих пен.

Предварительные исследования поверхностной активности индивидуальных ПАВ, выражающиеся в определении поверхностного и межфазного натяжений и коэффициентов растекания раствора по горючему и горючего по раствору, позволили выявить область рабочих концентраций. Главным образом, эта область определялась содержанием вещества в растворе, соответствующим величине критической концентрации мицеллообразования (далее по тексту — ККМ). Поэтому при формировании пленкообразующих композиций концентрация входящих в них компонентов была несколько выше значения ККМ индивидуальных растворов. Это связано с тем, что при смешении двух веществ различной природы каждое из них может неоднозначно повлиять на поверхностную активность полученной системы. Кроме того, при содержании ПАВ в растворе меньше ККМ реальна возможность обратного растекания горючего по пене. Вероятность этого события связывают, прежде всего, с величиной коэффициента растекания горючего по раствору, рассчитываемого по формуле:

гор

поверхностное натяжение горючей жид-

3г/р ор-ра (огор + о м/ф X

(1)

кости, мН/м;

°'м/ф — межфазное натяжение на границе "раствор - горючее".

При значениях /г/р >/р/г (/р/г — коэффициент растекания раствора по горючему) термодинамически будут возможны смачивание и растекание углеводорода по пене. Эта область обозначена на рис. 1 буквой А. В зоне растекания горючего по

Я

2

I

и

N

I

Я о о я

N

я о

0

1

^

а

0

1

X &

и =

о

с

36- 22 3 2

34- 20 0

4

32- 18 -2

N ч

30- 16 -\ / \ -4

28 14 - \ А 1 Б \ В -6

26 12 -\ \ - -8

я

24 м с 10 - \ \ - -10

22 8 - \ \ - -12

20 6 - \ \ - -14

18 4 - \ 2 - -16

16 2 _ ККМ 1 _ -18

14 0 -20

Й &

^

I

и я

я

' и

т $

где ор_ра—поверхностное натяжение раствора, мН/м;

-1,8 -1,2 -0,6 0 0,6 Логарифм концентрации, мас. %

Рис. 1. Определение области применения пенообразователя по поверхностной активности рабочего раствора: 1 — межфазное натяжение; 2 — поверхностное натяжение; 3 — коэффициент растекания раствора по горючему; 4 — коэффициент растекания горючего по раствору

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16

71

раствору пена будет разрушаться с очень высокой скоростью.

Точка, где пересекаются кривые 3 и 4, характеризующие соответственно коэффициенты растекания раствора по горючему и горючего по раствору, означает переход в область Б. Здесь уже возможно использование пенообразователя и пены для тушения пожаров нефтепродуктов, однако имеется большая вероятность, что пена будет загрязняться при всплытии на поверхность горящей жидкости. При увеличении концентрации пенообразователя пена будет все меньше и меньше загрязняться горючим. В этой области использовать пенообразователь можно для получения пены. Область С характеризуется положительными значениями коэффициента растекания, термодинамически возможно растекание пленки по поверхности углеводорода. Здесь эффективность применения пленкообразующих пенообразователей напрямую связана с изолирующими свойствами пен, полученных на их основе. Для них характерна модель строения с равновесной водной пленкой на поверхности нефтепродукта (рис. 2, а).

В случаях "б" и "в" (см. рис. 2) поверхность контакта пены с горючей жидкостью определена пенными каналами и пленками пузырей. При этом наблюдается интенсивное разрушение пены в результате смачивания ее горючей жидкостью и проникновения паров горючего в пенную структуру.

Таким образом, увеличение содержания углеводородного стабилизатора в смеси приводило к повышению поверхностного натяжения рабочего раствора и к сильному снижению натяжения на межфазной границе "раствор - углеводород". В этом случае при контакте с горючей жидкостью во время прохождения пены через ее слой происходит взаимодействие молекул углеводородного ПАВ с нефтепродуктом ввиду их высокой солюбилизирую-щей способности при низких значениях межфазного натяжения. Применение таких пен для подслой-ного тушения пожаров горючих жидкостей не представляется возможным.

В результате сбалансирования композиции индивидуальных ПАВ достигаются снижение межфазного натяжения смесевого состава до допустимых значений по сравнению с исходными растворами веществ и получение положительных значений коэффициента растекания при концентрациях, близких к ККМ.

Измерение кратности и устойчивости пен экспериментальных составов показывает, что повышенное содержание фторированного компонента заметно снижает кратность и устойчивость пены к синерезису. Потеря пеной рабочего раствора способствует быстрому разрушению пенного слоя на поверхности горящего нефтепродукта, что приводит к повышению времени тушения и затрат пенообразователя.

Область применения пен экспериментальных составов ограничивалась кратностью 6-8. Такие пены относятся к низкократным и потому пригодны для подслойной подачи в резервуар с горючей жидкостью.

Определение огнетушащей эффективности пленкообразующих пен проводилось на модельной установке, описанной в НПБ 203-98 "Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования. Методы испытаний". В результате опытов отмечалось, что в экспериментальных составах Б + С с увеличением концентрации фторированного компонента от 0,2 до 0,66 мас. % в растворе снижались критическая интенсивность подачи пены с 0,01 до 0,005 кг/(м2-с) и минимальный удельный расход с 1,6 до 1,0 кг/м2. Заметно возрастала удельная скорость тушения — от 0,012 до 0,044 м2/(кг-с) (рис. 3).

Анализ кривых тушения, удельного расхода и удельной скорости тушения с применением композиции Б + С (рис. 4) представлен зависимостью параметров огнетушащей эффективности от содержания углеводородного компонента. При использовании концентрации углеводородного компонента С в растворе в диапазоне от 0,05 до 0,15 мас. % наблюдалось повышение критической интенсивности

Пена

Пена

Водная пленка ^^^^^^ Неравновесная

пленка

Рис. 2. Модель водной пленки на поверхности углеводородов

Открытая поверхность

Пена

б

а

в

72

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16

подачи пены от 0,007 до 0,015 кг/(м -с) и ее удельного расхода, а также снижение скорости тушения с 0,03 до 0,015 м2/(кг-с). Дальнейшее увеличение концентрации от 0,25 мас. % привело к повышению первых двух параметров и скорости тушения. Это объясняется определенным пропорциональным содержанием ПАВ различной природы в пленкообразующем комплексе. К заметному улучшению огне-тушащих свойств пены повышение концентрации обоих компонентов не привело. Поэтому рацио-

о \

я , ¡3 ¡3

и ^ н ,

2 я я а

Ё*

о

У

я £

0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

3

2

1

—•

1,5

1,0

0,5

ч

и

а &

«

3 I

-с -

о й

0,2

0,4

0,6

0

0,8

Концентрация компонента Ф-41 в рабочем растворе, % об.

нально не превышать концентрацию 0,15% компонента С в растворе пенообразователя.

При изменении содержания в смеси фторированного компонента Б от 0,12 до 0,4 мас. % (рис. 5) минимальное значение критической интенсивно-

я и н е

13

£

о н в и с н е т н

и я

ак с е ч и т

и Кри

0,08

0,07

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

▲ \

\ \ ж \

3 \ \

\ \ к

▲ ч

/ Г 2

А 1

2,0

1,5

1,0

0 0,2 0,4

0,6

4 р

« 3

н

-с

5

К «

3

н

0,5

Концентрация фторированного компонента Б в рабочем растворе, % об.

Рис. 3. Зависимость критической интенсивности подачи пены (1), максимальной скорости тушения (2) и минимального удельного расхода пены (3) от содержания фторированного компонента в составе Б + С

Рис. 5. Зависимость критической интенсивности подачи пены (1), максимальной скорости тушения (2) и минимального удельного расхода пены (3) от содержания фторированного компонента в составе Б + С

я и н е

13

ут

о р

орк с ая н

ек

0,07

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

3

к

\ >

\ & ¡>1= 1

1,5

1,0

0,5

0,1

0,2 0,3

0 0,4

д

дох

хас р

й ы н ь

ель

деу

й ы н

Концентрация углеводородного компонента С в рабочем растворе, % об.

я и н е

13

ут

о р

орк с ая

н ь

0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02

1

Ч

\

< 1 •

2,0

1,5

д

дох

хас р

й ы н ь

1,0 ел ду

1,0 1,5 2,0 2,5

Межфазное натяжение, мН/м

3,0

Рис. 4. Зависимость критической интенсивности подачи пены (1), максимальной скорости тушения (2) и минимального удельного расхода пены (3) от содержания углеводородного компонента в составе Б + С

Рис. 6. Зависимость максимальной скорости тушения (1) и минимального удельного расхода (2) от межфазного натяжения на границе "раствор - горючая жидкость"

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2007 ТОМ 16

0

0

0

0

0

0

73

сти подачи пены и высокие показатели удельного расхода и скорости тушения соответствуют концентрации Б 0,24 мас. %. Дополнительное добавление фторированного компонента в состав не приводит к повышению огнетушащей способности.

На рис. 6. представлен анализ влияния межфазного натяжения на огнетушащую эффективность пен. С увеличением межфазного натяжения от 1,15 до 2,5 мн/м прослеживаются тенденция к снижению затрат пены от 1,43 до 0,7 кг/м2 и характерное увеличение скорости тушения нефтепродукта от значения 0,025 до 0,13 м2/(кг-с). Обладая низким межфазным натяжением, пена быстро разрушается на поверхности горючего, при этом часть раствора оседает на дно резервуара, а другая подпитывает

пленку, которая двигается впереди пенным слоем. При этом расход пенообразователя повышается.

В результате исследований выбрана оптимальная композиция с минимальным содержанием фторированного и углеводородного ПАВ: 0,24% Б + + 0,05% С, имеющая высокие изолирующие и огне-тушащие характеристики. В сравнении с промыш-ленно выпускаемыми образцами данный состав показал свою конкурентоспособность.

Таким образом, определены области применения пленкообразующих пенообразователей, характеризующиеся коэффициентом растекания раствора по углеводороду и обратным эффектом растекания горючей жидкости по пене.

Поступила в редакцию 13.07.07.

Интерактивное учебное пособие "ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ"

Представляет курс, построенный на основе методических материалов, разработанных ведущими специалистами кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, и включает 16 уроков (лекции и тестовые вопросы), объединенные в электронный учебник.

Учебно-методическое пособие содержит сборник нормативных актов по организации и обеспечению пожарной безопасности объектов.

Поурочная структура курса позволяет изучать материал в удобное время ивудобном темпе.

Данное интерактивное учебное пособие рекомендуется для проведения дистанционного обучения.

Курс рассчитан на самостоятельное изучение и консультационной помощью не поддерживается.

Освоив предлагаемый материал, вы можете сдать квалификационный экзамен в виде контрольного тестирования по всем пройденным темам.

Успешно сдавшим квалификационный экзамен предоставляется скидка 30% от базовой стоимости курса и выдается удостоверение государственного образца, подтверждающее прохождение слушателем курса повышения квалификации руководителей и специалистов в объеме 72-часовой программы.

Удостоверение высылается на почтовый адрес слушателя или вручается лично в УВЦ ИИБС МГСУ по адресу: Москва, ул. Смирновская, дом 1 А.

По вопросам приобретения компакт-диска заявку присылать по адресу: 109052, Москва, ул. Смирновская, дом 1А Тел./факс: (495) 662-69-70, 662-69-71 Е-таП: firescience@pisem.net

74

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2007 ТОМ 16