Тушение пламени полярных горючих жидкостей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

С. С. ВОЕВОДА, д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры общей и специальной химии Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия В. П. МОЛЧАНОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры общей и специальной химии Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры общей и специальной химии Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия Д. Л. БАСТРИКОВ, адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических кадров Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

УДК 614.842.615

ТУШЕНИЕ ПЛАМЕНИ ПОЛЯРНЫХ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ

Рассмотрен механизм тушения полярных горючих жидкостей специальными пенообразователями. Представлены экспериментальные данные критической интенсивности подачи пены на тушение нефтепродуктов, а также зависимости времени тушения и удельного расхода раствора пенообразователя от интенсивности подачи пены.

Ключевые слова: горючее; полярные жидкости; пенообразователь.

Пена является наиболее эффективным средством тушения пожаров углеводородов. В зависимости от специфики защищаемого объекта применяются разные виды пенообразователей, которые различаются по природе поверхностно-активного вещества (ПАВ), т. е. пенообразователя.

Для формирования низкократных пен используются фторсинтетические и фторпротеиновые составы. Отдельная группа пенообразователей предназначена для тушения пламени водорастворимых горючих жидкостей (спирты, кетоны, эфиры), которые получили название "полярные жидкости".

Исследовательские работы, посвященные вопросу тушения смесей бензина и углеводородов со спиртами [1-2], выявили ряд особенностей, сопровождающих процесс тушения и свободного горения сме-севого топлива.

При тушении пожаров полярных жидкостей кратность пены не играет роли. Здесь важно использовать пенообразователи с особыми свойствами, которые препятствуют быстрому разрушению пены в контакте с полярным растворителем за счет формирования твердой разделительной пленки на поверхности спирта.

Пена низкой кратности имеет очевидное преимущество перед пенами иной кратности: ее можно подавать на большое расстояние. Тушение пожаров нефтепродуктов навесными струями пены или подачей пены в горящий резервуар, в слой горючего, будет рассматриваться только при использовании фторированных пленкообразующих пенообразователей. Причина такого выбора заключается в необходимости предотвратить смешение пены с горючим, которое происходит в результате удара пенной струи о поверхность нефтепродукта, т. е. применя-

емый пенообразователь должен обладать инертностью к нефтепродуктам.

При тушении пожаров полярных горючих жидкостей, например метанола, скорость контактного разрушения пены значительно выше по сравнению с термическими и другими компонентами. При этом следует отметить, что удельная скорость контактного разрушения практически постоянна в процессе тушения, поскольку определяется мало меняющейся степенью разбавления горючего.

Уравнение материального баланса пены в процессе тушения можно представить в виде следующей формулы:

Уёт = р/к ё© + и © ёт, (1)

где У — интенсивность подачи пены, кг/(м2-с); т — время подачи пены, с; Р/ — плотность пены, кг/м3; к — средняя толщина пенного слоя, м; © — степень покрытия поверхности горючей жидкости; © = /80;

80, — площади поверхности соответственно ■' 2 горючего и пены, м ;

и

удельная скорость контактного разруше-

ния пены, кг/(м2-с). Разделив переменные и проинтегрировав выра жение

¿е

ёт = р/ к

У - и, ©

(2)

в пределах от т = 0 до т = тт и от © = 0 до © = 1, по лучим:

= Р/к , У

ик

1п

У - и.

(3)

кр

где тт

время тушения подачей пены, с.

© Воевода С. С., Молчанов В. П., Шароварников А. Ф., Бастриков Д. Л., 2012

Поскольку для тт при J = Цк и /кр = ик, то формула (3) может быть приведена к традиционному виду:

Р/ Ь , J

ик

1п

J - и,

(4)

кр

После замены логарифмического выражения пер вым членом степенного ряда получим формулу

Р

Т т = ^ - Jк,

(5)

Сопоставление эффективности пенообразователей проводили по величине оптимальной и критической интенсивности подачи пены, а также по удельным затратам пенообразователя на тушение единицы площади поверхности (таким, как расход пены) в соответствии с формулами:

Н =1/2(й„ + Нд) = 1/2(й0 + PJ);

Т 0 J (Jкр + J)

д =

J - J,

(6) (7)

где Н0 — минимальная толщина тушащего слоя пены, м;

К

максимальная толщина слоя пены в месте

ее выхода на поверхность, м;

Р — коэффициент пропорциональности; Т0 = Р/Ь0 /(2

Если показателем огнетушащей эффективности при тушении нефтепродуктов традиционно служат интенсивность подачи пены и удельные затраты на тушение единицы площади поверхности горения, то при тушении водорастворимых горючих жидкостей (ГЖ) вторым важным показателем является степень разбавления горючего после тушения.

В пенах часто используют изопропиловый спирт, который является эталоном агрессивности и по отношению к которому определяют сравнительную огнетушащую эффективность специальных и универсальных пенообразователей.

На рис. 1 представлены зависимости оптимальной ^опт) и критической ^ ) интенсивности подачи пены из пенообразователя ФС-600 от концентрации рабочего раствора при тушении смесевого топлива.

В таблице приведены значения критической и оптимальной интенсивности подачи пены при тушении различных горючих жидкостей. Результаты испытаний по тушению пламени метанола пенообразователем "Универсальный-П" и лучшими зарубежными составами аналогичного назначения показывают, что отечественный универсальный пенообразователь превосходит по огнетушащей эффективности аналогичные зарубежные составы и характеризуется критической интенсивностью подачи пены и степенью разбавления метанола после тушения.

и

№

£ §

в

о № я в и Н и

Ё к

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

Л

ОПТ |

с ^опт

0 2 4 6 8 10

Концентрация пенообразователя, % масс.

Рис. 1. Зависимости оптимальной (/опт) и критической (/кр) интенсивности подачи пены из пенообразователя ФС-600 от концентрации рабочего раствора при тушении смесевого горючего (80 % бензин и 20 % ИПС)

В связи с актуальностью применения подслой-ного способа тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах, а также для иллюстрации возможности образования на поверхности бензина водяных

Результаты тушения пламени различных горючих жидкостей пенообразователем "Универсальный-П"

Растворитель Вязкость при 20 °С, 10 3 Пас Интенсивность, кг/(м2-с)

критическая оптимальная

Спирты

Метанол 0,597 0,017 0,037

Этанол 1,200 0,020 0,044

Бутанол 2,950 0,060 0,130

Гептанол 6,600 0,016 0,035

Изопропанол 2,390 0,030 0,066

Диметилэтилкарбинол 3,950 0,065 0,140

Кислоты

Муравьиная 1,800 0,020 0,044

Уксусная 1,210 0,020 0,044

Масляная 1,560 0,020 0,044

Каприловая - 0,015 0,033

Метилацетат 0,380 0,030 0,066

Эфиры

Бутилацетат 0,730 0,020 0,044

Прочие растворители

Ацетон 0,325 0,014 0,031

Метилизобутилкетон - 0,040 0,088

Масляный альдегид - 0,030 0,066

Гептан 0,417 0,008 0,020

Бензин А-76 - 0,010 0,022

70

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №6

пленок, которые, предотвращая испарение горючего, препятствуют его повторному загоранию после тушения (эффект "легкой воды"), ниже рассмотрен механизм подслойного тушения пожаров ГЖ отечественным фторсодержащим пенообразователем.

Способ тушения пожаров подачей пены под слой горючего является наиболее удобным, поскольку для организации пенной атаки не требуется устанавливать пеноподъемник и концентрировать технику и людей непосредственно в обваловании резервуара. Для тушения используют пену низкой кратности, которую подают в резервуар через установку под-слойного тушения или по технологическому трубопроводу.

Процесс тушения пожаров ГЖ подачей пены под слой горючего можно разделить на несколько стадий:

1) получение и транспортирование пены внутрь резервуара;

2) первичный контакт деформирующегося слоя пены с ГЖ, капиллярная сорбция и эмульгирование ГЖ пеной;

3) самопроизвольный подъем и контактное разрушение пены слоем горючего;

4) обновление и охлаждение поверхностного слоя горючего потоком пены;

5) слияние пенных "капель" и формирование пенного слоя на поверхности горящей жидкости;

6) растекание пены по поверхности ГЖ;

7) термическое разрушение пены под действием факела пламени.

В зависимости от межфазного поверхностного натяжения на границе пена - нефтепродукт будет меняться и объем пенных капель, на которые разбивается пена при выходе из насадка. Чем ниже межфазное натяжение, тем быстрее разрушается пена. В результате подъема пены устанавливается определенный профиль скорости жидкости как внутри резервуара, так и на поверхности пены. На этом этапе происходит длительный и всесторонний контакт с нефтепродуктом, и только особые свойства фторированных ПАВ предотвращают сорбцию (поглощение) горючего пеной.

Этап слияния пенных капель в единый пенный слой является важным моментом, от которого зависит огнетушащая способность пены. В процессе слияния пенных капель слой нефтепродукта постоянно вытесняется из зоны контакта. Если интенсивность подачи пены невелика, а смачивание углеводородом поверхности пены исключено, то слой пены будет без загрязнений. При высокой интенсивности подачи пены горючее окажется захваченным пеной, поскольку скорость вытеснения нефтепродукта из зазора между пенными каплями не зависит от интенсивности и остается неизменной.

Скорость вытеснения прослойки горючего определяется площадью контакта и давлением, с которым капли прижимаются дуг к другу. Минимальная толщина тушащего слоя пены определяется ее чистотой, т. е. способностью формировать пенный слой, не содержащий включений горючей жидкости.

Воздействие теплового потока факела пламени на слой пены приводит к разогреванию пенных пленок в поверхностном слое. В отличие от обычных пенообразователей фторсодержащие соединения не утрачивают поверхностной активности в нагретом до температуры 80.. .90 °С водном растворе, поэтому разрушение пены происходит не в результате десорбции ПАВ в нагретых пленках, а из-за испарения основной части воды, сосредоточенной в пленке и в смежном с ней пенном канале. Естественно, что количество тепла, необходимое для испарения воды, в 6.10 раз превышает тепло на нагревание этого же объема жидкости, поэтому термическая устойчивость пен из фторированных пенообразователей намного выше, чем обычных пен.

Составим уравнение материального баланса пены, поданной в резервуар с горящей жидкостью. Учтем, что этот баланс будет складываться из пены, покрывшей часть зеркала жидкости, и пены, разрушенной при взаимодействии пенных капель с горючей жидкостью в процессе подъема и растекания и от термического воздействия факела пламени [3]. Выражение материального баланса:

qdx = UoSo(1 - ©)© dx + UKSodx + P/h Sod©, (8) где q — расход пены, кг/с;

Uo = 6Um Qs/Qu ; (9)

Um — удельная массовая скорость выгорания ГЖ в стационарном режиме до тушения, кг/(м2-с); Qs, Qu — удельные теплоты испарения соответственно горючего и воды, Дж/кг;

pfhS0 d©

dx =

U/So© + [- (Uo + Us)So] © +

(10)

и0 — удельная скорость разрушения пены, кг/(м2-с).

После интегрирования в пределах от т = 0 до т = ттиот© = 0до © = 1, а также упрощения промежуточных выражений (в частности, представления функции аг^ в виде степенного ряда) получено соотношение

Р /к

q/S 0 - (Uo + Us )/4

(11)

Обозначив отношение q/S0 = J, а (U0 + Us)/4 через J, получим:

P /h

J - J 0

(12)

т

т

При J = J0 возникает критическая ситуация, когда время тушения, рассчитанное по формуле (12), становится бесконечно большим, т. е. Тт ^ да при J - J0 = 0.

Для обработки экспериментальных данных представим формулу (12) в линеаризованном виде:

± = — А_

тт ргк ргк'

(13)

Представив графически зависимость 1/тт от J, можно определить величину J = Jкр.

Дальнейший анализ процесса тушения проведем с использованием формулы (12) и выражения для средней толщины пенного слоя:

Н = 1/2 (Но + Нд) = 1/2 (Но - р J).

(14)

Здесь На = р J.

При высокой интенсивности время тушения определяется соотношением

тт = Тг

•I — кр

где

То = Но Р f| (^кр); Но = 6 К 5 э;

(15)

(16)

К — кратность пены;

5э — эффективная толщина водяной пленки, позволяющая снизить скорость испарения ГЖ до значений, при которых горючая смесь не образуется. Удельный расход пены д на тушение пожара определим как произведение времени тушения и интенсивности подачи пены:

д = Jтт. (17)

Чем меньше удельные затраты пенообразователя на тушение, тем оптимальнее выбранная интен-

220

200

180

и 160

я 140

К

и 120

? 100

и Л 80

И

60

40

20

0

2

----с >--с >1

I

о.

>15

3 а л

5 £

10

12

14

Интенсивность подачи, 102 кг/(м2-с)

Рис. 2. Зависимость времени тушения (1)и удельного расхода пены (2) при тушении нефти в резервуаре диаметром 1,2 м подачей пены на основе пенообразователя "Форэтол" в слой горючего: О — тушение не достигнуто; • — успешное тушение; --расчетная кривая

сивность подачи пены. Соответственно, при оптимальной интенсивности удельные затраты должны быть минимальными. Оптимизация процесса заключается в нахождении минимума функциональной зависимости д = f (J). При J = !опт д = дтЬ. Математически условие поиска минимума заключается в решении уравнения

&д/& J =0. (18)

Подставим значение Тт из формулы (15) в (17), приравняем производную к нулю:

" J — (Jо — J)

Т 0 =

J — Jо

= 0.

(19)

После преобразований уравнения (19) получим, что д = дтЬ при J = 2,4 J0. Далее запишем формулу для расчета минимальных затрат на тушение:

дтт = 2,9 РН

(20)

200

о 150

100

Он

И

50

с ь о

Ь ¿V. V)

о

I

Л >к

£

0 0,05 0,10 0,15

Интенсивность подачи, кгДм^с)

Рис. 3. Зависимость времени тушения (1) и удельного расхода пены (2) при тушении бензина в резервуаре диаметром 3,2 м пеной на основе пенообразователя "Универсальный" в слой горючего: О — тушение не достигнуто; • — успешное тушение;--расчетная кривая

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20

и а Я

\ >

ч у

? 1

г &

I"

а

«

я к

е

и £

О 2 4 6 8 10 12 Интенсивность подачи, 102 кг/(м2-с)

14

Рис. 4. Зависимость времени тушения (1) и удельного расхода пены (2) при тушении печного топлива в резервуаре диаметром 9,5 м подачей пены на основе пенообразователя "Универсальный" в слой горючего: О — экспериментальные данные;--расчетная кривая

72

!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №6

Экспериментальное определение критической интенсивности подачи пены на тушение нефтепродуктов, а также зависимости времени тушения и удельного расхода раствора пенообразователя от интенсивности подачи пены проводили в резервуарах диаметром 1,2; 3,2 и 9,5 м.

Результаты экспериментов представлены на рис. 2-4.

Из рис. 2-4 видно, что расчетные зависимости времени тушения и удельных расходов пены от интенсивности ее подачи, полученные на основе рассмот-

ренной модели процесса тушения, с достаточной степенью точности подтверждаются экспериментальными данными. Сравнительные значения критической и оптимальной интенсивности подачи пены для исследованных нефтепродуктов показывают, что отклонения результатов не превышают +10 %. Это достаточно хорошее соответствие, и в дальнейшем можно считать, что в целом критические и оптимальные интенсивности подачи пены, получаемые расчетом, согласуются с полигонными с достаточной для практики степенью точности.

Издательство «ПОЖНАУКА»

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГОРИРОВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ryderman Anders. Testing of Foam as a Fire Extinguishing Medium for Polar Solvent and Petroleum Fires // FoU-Brand. — 1981-1982. — P. 12-16.

2. Ferroni G., Lev ZTest into Compatibility of Fluoroprotein Foams with Alcohol/Petrol Blends // Fire Prev. — 1983.—№ 159. — P. 21-26.

3. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П. Тушение пожаров нефтей и нефтепродуктов подачей пены в слой горючего // Транспорт и хранение нефтепродуктов : сб. статей. — ЦНИИ Нефтехимпрома. — 1996.—№8-9.— С. 5-9.

Материал поступил в редакцию 16 апреля 2012 г. Электронные адреса авторов: [email protected]; [email protected].