Введение к работе
Актуальность проблемы:
Развитие промышленности и техники сопровождается все более широким использованием горючих газов в различных производственных процессах и в энергетике. Соответственно возрастает вероятность пожаров и разрушений, вызванных возгоранием и взрывом этих веществ. Становится все более актуальной проблема обеспечения взрывобезопасности газов, а также управления их горением в силовых установках.
Поскольку горение является химическим процессом, то следовало ожидать, что весьма эффективными окажутся химические методы воздействия на эти процессы. Выявление и учет разветвленно-цепной природы горения и взрыва водородсодержащих соединений в газовой фазе при атмосферном давлении и повышенных давлениях открыли широкие возможности для разработки эффективных химических средств управления этими процессами'. В последние десятилетия в ИСМАН и ФГУ ВНИИПО России предложены и испытаны эффективные и коррозионно безопасные ингибиторы.
Настоящая работа посвящена разработке новых эффективных, экологически чистых ингибиторов для предотвращения воспламенения и взрыва и детонации водорода, синтез-газа и метана, а также для регулирования характеристик этих процессов в силовых установках. Эта цель достигалась путем исследования, выявления и использования особенностей цепного горения в присутствии активных примесей.
Цель работы:
Разработать эффективные, экологически чистые ингибирующие добавки для управления горением и взрывом водородо-воздушных и метано-воздушных смесей.
Задачи работы: 1. Выяснить закономерности влияния смесей CF3H и І-С4Н8 с инертными добавками СО2 и CF4 на воспламенение и горение метана и водорода в воздухе, в том числе возможность наличия синергизма при совместном воздействии этих веществ. Определить оптимальные составы присадок, предотвращающие воспламенение любых смесей водорода и метана с воздухом, в том числе в области нижнего концентрационного предела распространения пламени. 2.0пределить роль цепной лавины в уже развившемся взрыве. Выяснить общность условий ингибирования цепно-теплового взрыва и детонации.
3. Изучить зависимость характеристик детонации от типа химической связи
ингибитора, которая непосредственно участвует в обрыве реакционных цепей.
-
Выяснить причины меньшей пожарной опасности углеводородов по сравнению с водородом и синтез-газом, вопреки большей теплоте сгорания углеводородов.
-
Определить степень выгорания водорода и адиабатическую температуру пламени вблизи нижнего концентрационного предела распространения пламени водородо-воздушных смесей и изучить роль гетерогенных реакций при ячеистой структуре пламени смесей, бедных водородом.
Научная новизна:
1. Обнаружен эффект синергизма совместного влияния разных присадок на
цепное горение, при отсутствии химического взаимодействия между молекулами
добавки. Показано, что использование этой закономерности расширяет
возможности химического управления газофазными процессами горения и
детонации, повышает эффективность ингибирования. Предложены
комбинированные присадки, позволяющие эффективно управлять горением и
взрывом газов.
-
С использованием эффекта синергизма разработаны и испытаны экологически чистые ингибирующие составы, позволяющие эффективно регулировать характеристики горения, взрыва и детонации любых водородо-воздушных и метано-воздушных смесей, в том числе предотвратить воспламенение и взрыв.
-
Установлено, что цепная лавина является определяющей не только на стадии перехода цепного горения во взрыв, но также в уже развившемся тепловом взрыве. Соответственно, . взрыв представляет собой цепную лавину, протекающую в режиме теплового взрыва. Поэтому химически активные присадки позволяют управлять так же интенсивностью взрыва. Экспериментально показано, что в хорошем согласии с теорией неизотермических цепных процессов, цепно-тепловой взрыв предшествует детонации и является необходимым условием ее реализации.
-
Показано, что различие реакционной способности а и я-связей в молекулах ингибиторов, реагирующих с активными промежуточными продуктами, определяет различие закономерностей детонации и позволяет управлять этими процессами путем подбора соответствующих ингибиторов.
5. Выявлена причина меньшей горючести углеводородов по сравнению с
водородом.
Практическая ценность работы:
Разработанный подход к созданию эффективных средств управления горением, взрывом и детонацией, а также предложенные составы затребованы для обеспечения взрывобезопасности метана в бытовых условиях и в шахтах, взрывобезопасности водорода в производствах. Предложенные нами ингибиторы успешно прошли испытания в большом объеме в присутствии межведомственных комиссий. Ингибирующий состав, предотвращающий взрыв водорода проходит испытание на Белоярской АЭС. Имеется протокол заседания Технического совета по развитию угольной отрасли, промышленной и экологической безопасности Кемеровской области о проведении совместных испытаний на базе НИИ ОАО «НЦ ВостНИИ» и ОАО «НИИГД».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Эффект синергизма при совместном влиянии ряда добавок на горение в
отсутствии химического взаимодействия между молекулами добавки,
проявляющийся как в максимальном росте усредненной по объему реактора
температуры, так и максимальной скорости ее роста в ходе горения.
2. Эффективные, экологически чистые комбинированные составы,
позволяющие предотвратить горение и взрыв смесей водорода, метана и
синтез-газа в воздухе, а также управлять интенсивностью этих процессов, в том числе контролируемо разрушить стационарные детонационные волны.
3. Доказательство определяющей роли цепно-теплового взрыва в
возникновении детонации. Зависимость характеристик детонации от природы
участвующей в ингибировании химической связи в молекуле ингибитора.
-
Обнаруженные особенности горения бедных горючим смесей, влияние ячеистой структуры пламени на ингибирование.
-
Объяснение меньшей взрывоопасное углеводородов по сравнению с водородом, основанное на учете особенностей цепного механизма и различной реакционной способности промежуточных частиц.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований, обработке,' интерпретации и обобщении полученных результатов, в формулировке выводов.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы обсуждались на XIV симпозиуме" по горению и взрыву, Черноголовка, 2008; XII Всероссийской научной конференции по химии органических пероксидов, Уфа, 2009; Всероссийской школе по структурной макрокинетики, Черноголовка, 2008 и 2009.
Публикации:
Основные научные результаты опубликованы в б статьях, опубликованных в журналах из перечня ВАК и 4 тезисах докладов. Получен патент РФ на изобретение.
Объект исследований:
Взрывоопасные смеси водорода и метана с воздухом с добавками ингибиторов.
Предмет исследований:
Выяснение особенностей горения водорода, синтез-газа и метана в присутствии ингибиторов и на этой основе обеспечение взрывобезопасиости газовых смесей путем применения ингибирующих добавок.
Методы исследования:
Экспериментальное определение характеристик горения газовых смесей с наличием ингибиторов; анализ кинетических схем горения при наличии ингибиторов.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 124 страницах текста, включает 25 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований.
