автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Тушение пламени нефтепродуктов фторпротеиновыми пенообразователями

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Монтаев Ермек Ибрагимович

ТУШЕНИЕ ПЛАМЕНИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ФТОРПРОТЕИНОВЫМИ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Специальность 05.26.03. Пожарная безопасность

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

профессор А.Ф. Шароварников

На правах рукописи

Подпись соискателя

доктор технических наук,

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение .........................................................4

Глава 1. Аналитический обзор.......................................13

1.1. Закономерности тушения пожаров нефтепродуктов пенами............14

1.2. Классификация пенообразователей для тушения пламени...............

нефтепродуктов...................................................17

1.3. Составы пенообразователей и их назначение........................29

1.3.1. Протеиновые пенообразователи.................................29

1.3.2.Синтетические пенообразующие составы..........................31

1.3.3. Фторпротеиновые пенообразователи.............................35

1.3.4. Фторсинтетические пенообразователи............................38

1.3.5. Универсальные пенообразователи...............................42

1.4. Экспериментальное определение эффективности пенообразователей. ... 47

1.5. Постановка задач исследований...................................51

Глава 2. Экспериментальная часть....................................53

2.1. Методы исследований. .........................................53

2.1.1. Метод определения степени загрязнения пены от параметров ее подачи в процессе тушения..................................................53

2.1.2. Метод определения термической устойчивости пены................56

2.1.3. Метод определения вязкости низкократных пен различной природы. . .51

2.1.4. Метод определения огнетушащей эффективности низкократной пены при подаче её непосредственно в слой горючей жидкости....................58

2.1.5. Метод определения кратности и устойчивости низкократной пены ... .60

2.1.6. Метод измерения поверхностного и натяжения межфазного растворов ПАВ (метод Де Нуи)...............................................61

2.2 Вещества, используемые в работе..................................62

Глава 3. Основные идеи формирования рецептуры фторпротеинового пенообразователя .........................................................63

3.1. Анализ рецептуры фторпротеинового пенообразователя...............63

3.1.2. Технологический процесс приготовления пенообразователя фторпротеи-новый............................................................63

3.1.3. Технологическое оборудование.................................65

3.2. Результаты исследований коллоидно-химических свойств фторпротеинового пенообразователя...............................................67

3.2.1. Влияние кратности пены на тушение нефтепродуктов................71

3.2.2. Исследование по степени загрязнения пены углеводородами..........83

Глава 4. Анализ результатов экспериментальных исследований процессов тушения пламени нефтепродуктов......................................88

4.1. Термическое разрушение пены под воздействием факела пламени при ее подаче на поверхность нефтепродукта.................................89

4.2. Анализ процесса тушения нефтепродуктов фторпротеиновыми пенообразователями ...................... ...................................90

4.3. Общие положения теории тушения пожаров фторпротеиновыми пенообразователями .......................................................91

Выводы и заключения.............................................105

Список литературы.................... ............................107

Приложения.....................................................121

П. 1. Акт внедрения..............................................122

П. 2. Акт внедрения..............................................123

П. 1. Акт внедрения..............................................124

П. 4. Технические условия (проект)..................................125

ВВЕДЕНИЕ

В течении длительного времени как в России, так и в Казахстане пена низкой кратности не рекомендовалась при тушении пожаров горючих жидкостей. Причина связана с тем, что низкократные пены, полученные на основе белковых или углеводородных пенообразователей, при падении на поверхность нефтепродукта и соприкосновении с горючим смешивается и поглощают большую долю нефтепродукта и в дальнейшем тушение оказывается затрудненным, поскольку пена сама способна поддерживать горение.

Большая часть Российских пенообразователей (свыше 90% объема) не отвечает современному уровню развития пенных средств пожаротушения ни по ассортименту, ни по тактико-техническим характеристикам. Биологически жесткие пенообразователи на основе арилсульфоната (ПО-1Д, ПО-1С, ПО-6К), в связи со все возрастающими требованиями к охране окружающей среды производство которых необходимо прекратить в перспективе. Объем выпускаемых биологически разлагаемых пенообразователей на основе первичных и вторичных алкилсульфатов (ТЭАС, Прогресс, ПО -ЗАИ, Сампо) не может удовлетворить потребностей пожарной охраны. Кроме того, их производство осуществляется по устаревшей технологии с образованием большого количества трудно утилизируемых отходов и его также нельзя признать перспективным. Эффективность этих углеводородных пенообразователей несоизмерима с ущербом, наносимым окружающей среде их производством и применением.

Более эффективны пенообразователи, содержащие добавки фторугле-родных ПАВ («Форэтол», «Универсальный», «Подслойный»), Несмотря на то, что производятся на основе биологически жесткого алкиларилсульфоната, они тем не менее имеют высокую огнетушащую способность при тушении пожаров горючих жидкостей различных классов, в отличие от углеводородных пенооб-

разователей могут применяться, как при традиционном, так и при подслойном способе пожаротушения.

Зарубежный опыт, который показывает, что пена низкой кратности может использоваться эффективно, если только они содержат фторированные добавки, то возникает проблема создания такого рода пенообразователя, на белковой основе и с фторированной добавкой.

Одним из возможных ее решений является создание нового Российско-Казахстанского фторпротеинового пенообразователя. Поэтому задача создания биологически разлагаемого и достаточно эффективного пенообразователя остается весьма актуальной.

Применение фторпротеинового пенообразователя не только бы позволило решить проблему применения низкократной пены, подавать пену на большое расстояние, но и предотвратило бы загрязнение окружающей среды.

Цель данной работы - выявить закономерности тушения пламени нефтепродуктов фторпротеиновыми пенообразователями.

На основе теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы:

- выявлен механизм тушащего действия фторбелковых пен;

- выявлены свойства пенообразователя включающие: поверхностное и межфазное натяжения водного раствора, коэффициент растекания раствора по поверхности горючей жидкости, вязкость, термическую устойчивость и степень загрязнения при подаче пены в слой горючего;

- установлены оптимальные параметры концентрации фторпротеинового пенообразователя, при которой обеспечивается термическая стабильность, но не утрачивается способность самопроизвольного растекания пены по поверхности нефтепродукта;

- проведены комплексные испытания по тушению углеводородов с различной удельной скоростью выгорания, подачей фторпротеиновой пены в слой нефтепродукта и сверху;

- проведен сравнительный анализ параметров, прогнозируемых предложенной формулой, с результатами натурных экспериментов;

- разработана методика испытаний и экспериментальные установки, с использованием различных композиций пенообразователя, позволяющих выявить основные параметры тушения пламени нефти и нефтепродуктов - ошетушащую эффективность, вязкость, термическую устойчивость и степень загрязнения пены.

В результате комплексных исследований предложена оптимальная рецептура фторпротеинового пенообразователя, за счет подбора оптимальных содержании фторированных стабилизаторов и белкового компонента, не уступающий по огнетушащей эффективности лучшим зарубежным пенообразователям.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений.

В первой главе дан краткий анализ литературы, который отражает закономерности тушения нефтепродуктов низкократной пеной, современные отечественные и зарубежные пенообразователи и их классификации. Анализируются существующие взгляды на процесс тушения нефтепродуктов с применением фторпротеинового пенообразователя. Рассмотрены современные средства и способы тушения пожаров пламени нефтепродуктов в резервуарных парках, аварийных проливах.

Анализ литературных источников показал, что за рубежом фторпротеино-вые пенообразователи находят широкое применение, как биологически разлагаемые, не загрязняющие окружающую среду. Эти пенообразователи обладают хорошей огнетушащей эффективностью и используются как для традиционного при подаче сверху), так и для подслойного пожаротушения, поскольку пена на

их основе устойчива к загрязнению нефтью или нефтепродуктами и тепловому воздействию факела пламени.

Приводятся количественные соотношения, которые используются различными авторами при описании процесса тушения нефтепродуктов пенами, и, в частности, с применением фторпротеинового пенообразователя. На основании данных, полученных при анализе патентной и научной литературы, проводится выбор основных направлений исследований.

Вторая глава содержит описание ряда экспериментальных методов исследований, использование которых вызвано необходимостью комплексного исследования свойств фторпротеинового пенообразователя. К ним относятся уже известные в практике научных исследований методы определения коллоидно-химических свойств растворов ПАВ, а также методы определения степени загрязнения пены углеводородами, метод определения термической устойчивости пен, метод определения вязкости различных пенообразователей. В качестве фторуглеродных добавок использовались ПОЭК - 3.

Акцент на подбор фтордобавок связан с необходимостью, обеспечить фторбелковой пене инертность при смешении с нефтепродуктом. Если удастся подобрать такое фторированное вещество, которое снизило бы поверхностное натяжение рабочего раствора и при этом, оказалось бы возможным создать рецептуру, не расслаивающуюся в процессе хранения, то задача разработки рецептуры пенообразователя оказалась бы возможным.

Для сравнения в экспериментах использованы наиболее эффективные зарубежные пенообразователи. Дана характеристика использованных горючих жидкостей и фторированных стабилизаторов.

Приведен перечень веществ, используемых в работе.

В третьей главе рассмотрены основные идеи формирования рецептуры фторпротеинового пенообразователя. Анализ рецептуры, технологический процесс для фторпротеинового пенообразователя и технологическое оборудование.

Рассмотрены результаты исследований экспериментов по огнетушащей эффективности и термической устойчивости пены из композиций фторпротеинового пенообразователя различного состава.

Принимая во внимание, что не существует теории, которая могла бы выявить или показать взаимосвязь между тушащим действием пены и природы пенообразователя работа проводилась методом проб и ошибок и дальнейшего отбора различного рода композиций.

Экспериментальные исследования проведены с использованием пенообразователей: «Универсальный», «Подслойный» (Россия), FC-203A, фирмы «ЗМ», (Бельгия), «HYDRAL-3», фирмы «САБО» (Италия), "EXPYROL" фирмы «Pirna Copitz» (Германия), фторпротеиновый пенообразователь «Petrofilm» (Франция).

Основным методом исследования огнетушащей эффективности являлся анализ экспериментально полученной зависимости времени тушения пламени нефтепродукта от интенсивности подачи пены. Огнетушащую эффективность характеризовали величиной критической интенсивности подачи пены и удельным расходом огнетушащего вещества.

Для иллюстрации результатов экспериментальных исследований, представлены зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены, полученной из растворов с различным содержанием фторированного стабилизатора. Малые объемы производства и высокая стоимость фторуглеродных ПАВ обуславливают необходимость снижения концентрации фторированного стабилизатора в пенообразующем растворе. Поэтому целесообразно использовать наиболее поверхностно-активные фторутлеродные добавки, которые при минимальной концентрации способны обеспечить максимальную эффективность фторпротеиновым пенообразователям.

Показано влияние концентрации белкового компонента (БК) на время тушения от интенсивности подачи пены, при постоянной концентрации фторированного стабилизатора ПОЭК-3. При формировании на поверхности горючего пенного слоя из пены, загрязненной нефтепродуктом, изолирующее действие не достигается, а при достижении критических значений концентрации углеводорода в пене она утрачивает огнетушащую способность. Показано влияние концентрации фторированного стабилизатора пенообразователя на степень загрязнения пены углеводородом при различной интенсивности подачи пены .

Важными характеристиками для огнетушащей пены, является способность растекаться по поверхности нефтепродукта и выдерживать тепловое воздействие от фронта пламени. Экспериментально изучено влияние концентрации белкового компонента на вязкость пены и эффективную толщину пенного слоя. Особенность процесса пенообразования из фторбелковых растворов состоит в том, что с увеличением доли белкового компонента в растворе возрастает его вязкость, которая резко увеличивает вязкость полученной из него низкократной пены.

Особенностью механизма термического разрушения фтор протеиновой пены является зависимость термической устойчивости пены от количества белкового компонента, содержащегося в водном растворе. Чем выше доля белкового компонента, тем выше термическая устойчивость пены.

Проведен анализ причин загрязнения пены в процессе тушения пламени нефтепродуктов для получения сравнительной характеристики огнетушащей эффективности различных пенообразователей при подслойном способе тушения пламени. Даны результаты лабораторных исследований по кратности, устойчивости, термическому разрушению и вязкости пен.

Четвертая глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований процесса тушения пламени нефтепродуктов фторбелковыми пено-

образователями. Тушение пожара нефтепродукта в резервуаре сопровождается накоплением и разрушением пены. В результате контактного взаимодействия пены с горючим при растекании по зеркалу жидкости, часть пены разрушается.

Приведены результаты анализа зависимости времени тушения пламени гептана от концентрации белкового компонента в рабочем растворе при различной интенсивности подачи пены.

Если в качестве критерия оптимальности процесса тушения принять минимизацию расхода пенообразователя на тушение единицы поверхности горючего то, судя по положению минимума на кривых зависимости удельного расхода - С>уд, от интенсивности подачи пены, можно оценить величину оптимальной интенсивности подачи. Для этой цели использовали значение интенсивности, расположенное под минимумом кривой удельного расхода.

В зависимости от конкретных условий и принятых допущений о причинах разрушения пены можно получить выражения для оценки времени тушения пожара для конкретного нефтепродукта и пены, использованной для тушения.

Представлена зависимость удельной скорости термического разрушения пены от содержания фторированного стабилизатора. По мере увеличения доли фторированного стабилизатора термическая устойчивость растет. С увеличением вязкости пены растет средняя толщина тушащего пенного слоя, при этом часть пены будет бесполезной для процесса тушения. Средняя толщина пенного слоя практически прямо пропорционально возрастает с концентрацией белкового компонента в рабочем растворе.

Установлено влияние природы нефтепродукта на процесс тушения, через его удельную массовую скорость выгорания и удельную теплоту испарения. Если в качестве критерия оптимальности процесса тушения принять минимизацию расхода пенообразователя на тушение единицы поверхности ЛВЖ, то ин-

тенсивность, соответствующая положению минимума на кривой (}уд - 3, является оптимальной.

Расчетная зависимость времени тушения и интенсивности ее подачи, полученная на основе формул удовлетворительно совпадает с результатами экспериментов.

На базе проведенных исследований:

1. Показана возможность применения фторпротеиновых пенообразователей для тушения пламени нефтепродуктов, подачей пены на горящую поверхность и подслойным способом. При этом, концентрация пенообразователя составляет 6,0 %, а величина критической интенсивности не превышает 0,03-0,04 кг/м2/ с. Степень загрязнения пены нефтепродуктами зависит от режима ее подачи. При интенсивности подачи пены 0,08 кг/м2/с в слой нефтепродукта степень загрязнения составляет 2,5% масс, что обеспечивает пене хорошее изолирующее действие.

2. Предложен мех�