Изучение механизма контактного разрушения пен при тушении пламени водорастворимых жидкостей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение механизма контактного разрушения пен при тушении пламени водорастворимых жидкостей

С.А. Шарипова, М.К. Дюсебаев, Г. Аубакиров

Разработка высокоэффективных пенообразователей для тушения пожаров органических горючих жидкостей и нефтепродуктов связана с использованием в пенообразующих композициях фторсодержащих поверхностно-активных веществ, которые обеспечивают высокую термическую устойчивость и способность растекания пленки раствора пенообразователя по поверхности горючей жидкости. Пленка длительное время препятствует парообразованию горючего и предотвращает повторное воспламенение.

Использование в составе пенообразователей фторированных поверхностно-активных веществ позволяет применять их для тушения пламени нефтепродуктов подслойным способом подачи пены. Вследствие того что пенообразователи разрабатывались для тушения пожаров нефтепродуктов подслойным способом, их огнетушащая эффективность зависит от условий его применения. Малейшее отклонение в большую или меньшую сторону от оптимальной концентрации пенообразователя в рабочем растворе приводит к потере огнетушащей способности пены. Поэтому эти пенообразователи не пригодны для тушения пожаров полярных жидкостей.

Концентрация широкого круга горючих жидкостей различных классов на одном техническом предприятии обуславливает необходимость применения нескольких типов дорогостоящих пенообразователей специального назначения на одном объекте, что связано с развитием парка пожарной техники и снижением ее эксплуатации из-за узкой специализации. Это экономически нецелесообразно.

Тушение пожаров горючих жидкостей в общем случае определяется соотношением двух противоположно направленных процессов: скоростью разрушения пены на поверхности горения (интенсивностью разрушения) и скоростью накопления пенного слоя (интенсивностью подачи пены). Отличие тушения водорастворимых жидкостей от нефтепродуктов заключается в том, что основной причиной разрушения пены на поверхности горения является контактное взаимодействие пены с растворителем, когда скорость разрушения пены от теплового потока факела пламени пренебрежительно мала в сравнении со скоростью контактного разрушения. Эта особенность определяет сложность тушения пожаров, которая связана с необходимостью значительного разбавления всего объема растворителя до концентрации, когда скорость контактного разрушения пены снижается, что позволяет накопить достаточный пенный слой для прекращения горения.

Выявление закономерностей тушения пожаров водорастворимых жидкостей связано с установлением механизма контактного разрушения пены и причин, вызывающих ее распад при взаимодействии с органическим веществом, при этом необходимо выявить природу и движущие силы этого процесса. Представителями класса водорастворимых жидкостей, наиболее интенсивно разрушающих пену из углеводородных пенообразователей, являются изопропанол и этанол. Поэтому для исследований контактного разрушения пен и оптимизации огнетушащих составов для тушения пламени органических растворителей нами были выбраны именно эти жидкости.

Для проведения исследований применяли широкий ассортимент веществ, выпускающихся промышленностью и синтезированных в лабораторных условиях. Фторированные поверхностно-активные вещества синтезировались в Институте химии МОН РК и Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева.

Эксперименты по тушению пламени нефтепродуктов и определению огнетушащей эффективности пены с проверкой результатов тушения пожаров горючих жидкостей в различных моделях резервуаров и противнях проводились на кафедре оперативно-тактических дисциплин Кокшетауского технического института МЧС РК.

В работе использовались промышленно выпускаемые пенообразователи «СамПО» (ТУ 3810950-78), ПО-ЗАИ (ТУ 3810923-86), «Форэтол» (ТУ 6022780-84), «Универсальный» (ТУ 6022890-86).

В качестве горючих жидкостей использовались нормальные спирты и изоспирты, кетоны, альдегиды, алифатические кислоты, алифатические углеводороды (квалификации «Ч»), нефть и различные продукты ее переработки, выпускаемые нефтеперерабатывающей промышленностью СНГ.

Анализ результатов исследования процесса разрушения пен из углеводородных пенообразователей водно-спиртовыми смесями показал, что скорость контактного разрушения пены резко возрастает, если содержание спирта в растворе превысит некоторую предельную концентрацию. На рис. 1 представлена зависимость удельной массовой скорости контактного разрушения пены из растворов пенообразователей РАС и «СамПО» на поверхности водно-спиртовой смеси от концентрации изопропанола.

При малых концентрациях спирта скорость разрушения пены возрастает незначительно, а при содержании неводного компонента в смеси 23 % масс для пен из РАС и 45 % масс для «СамПО» наблюдается резкое увеличение скорости разрушения.

Дестабилизация пены происходит из-за потери молекулами пенообразователя собственной поверхностной активности в растворе, содержащем органический растворитель, молекулы которого обладают большей активностью, чем молекулы пенообразователя. Доказательством этому предположению являются результаты экспериментов по определению зависимости кратности и времени устойчивости пены из растворов пенообразователей РАС и «СамПО» с добавками органического компонента.

Рис. 1. Зависимость скорости контактного разрушения пены от концентрации изопропанола: 1 -- раствор пенообразователя РАС; 2 -- раствор пенообразователя «СамПО»

пенообразователь тушение пожар водорастворимый

За время устойчивости пены был принят период, в течение которого из пены выделится половина пенообразующего раствора. Так определялась зависимость поверхностного натяжения экспериментальных растворов от концентрации в них органического компонента (рис. 2).

Рис. 2. Зависимости поверхностного натяжения экспериментальных растворов от концентрации изопропанола: 1 -- раствор водноорганической смеси; 2 -- раствор пенообразователя РАС

Результаты измерений (рис. 3, 4) показывают, что кратность, устойчивость и разность поверхностного натяжения водно-спиртовых растворов с ПАВ и растворов без ПАВ при увеличении концентрации изопропанола в пенообразующем растворе непрерывно снижаются.

Рис. 3. Зависимость времени устойчивости, кратности и разности поверхностного натяжения пены из РАС от концентрации изопропанола в пенообразующем растворе: 1 -- устойчивость; 2 -- кратность; 3 -- разность поверхностного натяжения пены

Рис. 4. Зависимость времени устойчивости, кратности и разности поверхностного натяжения пены из «СамПО» от концентрации изопропанола в пенообразующем растворе: 1 -- устойчивость; 2 -- кратность; 3 -- разность поверхностного натяжения пены

При концентрации изопропанола 23 % масс 48 % масс в растворе пенообразователей РАС и «СамПО», соответственно, перестают быть поверхностно-активными в водно-спиртовой смеси данного состава, так как при этих концентрациях спирта Дт = 0. Сопоставление полученных результатов с данными по пенообразованию показывает, что при этих же концентрациях неводного компонента в смеси контактная устойчивость пен резко снижается (рис. 4).

Таким образом, пена быстро разрушается либо не образуется вообще, если пенообразователь не обладает поверхностной активностью в смеси данного состава. Для анализа результатов экспериментов в таблице приведены величины, характеризующие предельное содержание органического растворителя, при котором пенообразователь теряет поверхностно-активные свойства и способности стабилизировать пену, а также значение скорости контактного разрушения пен при взаимодействии с конкретной органической жидкостью.

Оказалось, чем ниже величина предельного содержания органического компонента в растворе пенообразователя, тем выше скорость контактного разрушения пены чистым растворителем.

На основании определения температурной зависимости времени устойчивости пен, полученных из водно-изопропанальных смесей с пенообразователем РАС, по формуле Аррениуса была рассчитана величина эффективной энергии активации процесса синеризиса пены. Установлено, что по мере увеличения доли изопропанола в растворе возрастает эффективная энергия процесса, абсолютное значение которой составило: 13,4; 15,2; 19,6; 27,2 кДж·моль^-1 для смесей, содержащих изопропиловый спирт 0,0; 5,0; 7,0; 10,0 % масс соответственно. Увеличение эффективной энергии активации с 13,4 до 27,2 кДж·моль^-1 показывает изменение характера процесса синеризиса пены, который, судя по величине Е, в пенах без изопропанола определяется вязким течением раствора, а разрушение водно-спиртовых пен -- кинетическим механизмом взаимодействия молекул ПАВ-пенообразователя и изопропанола в поверхностном слое.

Параметры бинарных смесей РАС -- органическая жидкость и пен на их основе

Таким образом, механизм контактного разрушения пены при взаимодействии с органической жидкостью можно представить очередностью нескольких этапов:

- капиллярное всасывание растворителя в каналы пены;

- смещение пенообразующего раствора и органической жидкости в пенных каналах;

- потеря поверхностной активности молекулами ПАВ при достижении предельной концентрации растворителя в водно-органической смеси;

- десорбция молекул ПАВ в смоченных растворителем пенных пленках и разрушение пены;

- разбавление объема органической жидкости пенообразующим раствором при разрушении пены.

Следовательно, контактное взаимодействие пен с растворителем сопровождается смачиванием и капиллярным всасыванием растворителя в пенные каналы, а разрушение пены определяется потерей поверхностной активности молекулами ПАВ при достижении определенной концентрации растворителя в водно-органической смеси, образующейся в каналах пены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шароварников А.Ф., Ефимов А.А. Перспектива разработки и освоения «подслойного» тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках // Пожаровзрывобезопасность: Научно-технический журнал. М.: Ассоциация «Пожнаука». № 1. С. 62-67.

Размещено на Allbest.ru