оперативный метод предотвращения теплового взрыва в

А.К. Беликов, Ю.А. Поляков, И.Р. Бегишев
(Академия ГПС МЧС России; e-mail: [email protected])
ОПЕРАТИВНЫЙ МЕТОД ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА В ГОРЮЧИХ СМЕСЯХ
Предложен оперативный метод предотвращения фототеплового взрыва горючих
смесей на основе тонкоплёночного термосенсора, по командному сигналу которого выполняется отключение источника излучения. Разработано автоматическое устройство предотвращения фототеплового воспламенения.
Ключевые слова: тепловой взрыв, тонкоплёночный термосенсор, оперативное
отключение.
A.K. Belikov, Yu.A. Polyakov, I.R. Begishev
OPERATIONAL METHOD OF PREVENTION
OF HEAT EXPLOSION IN GAS MIXTURES
Operational method of prevention of photoheat explosion of gas mixtures on base thin-film
termosensor, by command signal which realize cut off of source of radiation. Automatic device
of prevention photoheat of ignition is developed.
Key words: heat explosion, thin-film termosensor, operational prevention.
Статья поступила в редакцию Интернет-журнала 7 мая 2013 г.
Отсутствие способов и систем пожаровзрывозащиты технологического
оборудования при фотолизе стимулирует разработку автоматических быстродействующих устройств предотвращения развития аварийных ситуаций в фотореакторах или радиационных установках.
При облучении реакционной смеси светом или при радиационном излучении в системе образуются высокоэнергичные частицы – радикалы, и реакция
развивается по радикально-цепному механизму. При слабом теплоотводе реакция сопровождается существенным разогревом.
В результате роста температуры скорость реакции увеличивается и, в конечном итоге, может достигнуть очень высоких значений, при которых происходит тепловое воспламенение или тепловой взрыв смеси.
Было исследовано воздействие света на газовую смесь 1,1 – дифторэтана (ДФЭ) с хлором в модельной установке, структурная схема которой представлена на рис. 1 [1].
В центре сосуда, куда набирались очищенные 1,1 – дифторэтан и хлор,
размещалась вольфрамреневая термопара диаметром 20 мкм, сигнал от которой
подавался на осциллограф С8-13.
Изучался температурный режим в зависимости от интенсивности пучка
света. Максимальная интенсивность была 2·1017 квант·см-2·с-1. Стенд был
оснащён системой освещения смеси как непрерывно, так и импульсами различной длительности.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
1
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки:
1 – реакционный сосуд; 2 – ртутно-кварцевая лампа; 3 – затвор; 4 – окно (кварц);
5 – фотодатчик; 6 – микротермопары; 7 – баллон с хлором; 8 – баллон
с исследуемым веществом; 9 – влагоуловитель; 10 – краны; 11 – краны Гофера;
12 – ловушка с жидким азотом; 13 – трёхходовой кран; 14 – вакуумный насос;
15 – компьютерный измерительный комплекс
На рис. 2 показано изменение температуры во времени в центре реакционного сосуда с мольной долей ДФЭ  = 0,25 при различных интенсивностях
света.
Рис. 2. Изменение температуры смеси с мольной долей ДФЭ  = 0,25
при различных интенсивностях света:
1 – I = I0; 2 – I = I0/9; 3 – I = I0/18; 4 – I = I0/27; 5 – I = I0/81; 6 – I = I0/24
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
2
Как видно, при больших интенсивностях света наблюдается тепловой
взрыв, который приводит к появлению пламени. Исследованием температурного режима реакции фотохлорирования ДФЭ в смесях различного состава было
установлено, что при больших интенсивностях света тепловой взрыв происходит при любых начальных концентрациях горючего и окислителя [2].
Как показали исследования, с целью своевременного прекращения развития взрывоопасной ситуации такой способ, как ингибирование и флегматизация
фототеплового воспламенения, представляет собой трудоёмкую задача, так как
для каждой конкретной горючей смеси необходимо провести широкий комплекс исследований свойств системы, которые зависят от вида реагентов, образующих горючую смесь.
Для предотвращения воспламенения следует устранить одну из трёх
составных частей горения: горючее вещество, окислитель или источник зажигания.
Проверку данного способа предотвращения фототеплового воспламенения проводили для наиболее пожаровзрывоопасных смесей ДФЭ с хлором при
максимальной интенсивности света(I0 = 1,96·1021 квант/м2·с) [3].
Горючие смеси подвергались импульсному воздействию УФ-излучения
различной длительности.
Установлено, что при времени экспозиции светового потока  ≥ 0,3 с
в системе успевает развиться взрывной процесс.
При уменьшении времени экспозиции взрывной процесс не развивается,
разогрев смеси не превышает 50 К. При этом реакция некоторое время протекает в стационарном режиме, а затем вообще прекращается.
Авторами обоснована целесообразность применения в качестве быстрореагирующих сигнализаторов аномального хода реакции тонкоплёночных
и миниатюрных термосенсоров в устройствах автоматического предотвращения воспламенения [5].
В качестве входного воздействия в разработанном методе используется
скорость нарастания температуры смеси и (или) тепловой поток при разогреве
смеси. Всё это требует высокой разрешающей способности термосенсора
при приемлемой чувствительности.
Опытным путём, при фотохлорировании ДФЭ была определена критическая скорость роста температуры:
dT
 400 К/с.
d
Для реализации предложенного метода предотвращения фототеплового
взрыва разработано автоматическое устройство с термосенсором в качестве
первичного преобразователя температуры чувствительного элемента (ЧЭ)
электрический командный импульс для срабатывания системы раннего предупреждения развития пожаровзрывоопасной ситуации.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
3
Чувствительный элемент (платиновая плёнка) толщиной ~ 0,1 мкм, во избежание гальванического контакта с реакционной средой покрывалась тонким
слоем диэлектрика из двуокиси кремния толщиной ~ 0,2 мкм. Время реакции
термосенсора (рис. 3) на ступенчатый тест-импульс не превышает 10-5 с.
Рис. 3. Термосенсор
Термосенсор, смонтированный заподлицо с внутренней поверхностью реакционного канала, регистрировал в момент прохождения фронта пламени
мимо него температуру поверхности подложки (рис. 4).
Рис. 4. Измерительная секция с сенсорами:
1 – канал; 2 – кварцевое окно; 3 – микротермопара;
4 – фотодатчик; 5 – термосенсор; 6 – реакционная зона
Термограмма ЧЭ в зависимости от времени представлена на рис. 5.
Выполненные исследования температурного поля в реагирующей смеси
показали, что очаг фототеплового воспламенения находится вблизи кварцевого
окна, через которое проходит инициирование реакции УФ-излучением.
Поэтому термосенсор целесообразно размещать в указанном месте, но это
не является обязательным условием.
На рис. 6. приведены термограммы реакции фотохлорирования дифторэтана при максимальной интенсивности света.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
4
Рис. 5. Термограмма термосенсора при индикации
фронта пламени в реакционном канале
Рис. 6. Термограммы реакции фотохлорирования дифторэтана:
1 – непрерывное инициирование; 2 – прекращение инициирование устройством
предотвращения фототеплового воспламенения
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
5
При возбуждении реакции непрерывным УФ-излучением скорость нарастания температуры значительно превышает критическую величину. При этом
максимальный разогрев смеси составляет ≈ 1350 К. Смесь воспламеняется
(кривая 1). Кривая 2 соответствует температурному режиму при тех же начальных условиях, но с подключением устройства предотвращения фототеплового
воспламенения.
Видно, что при достижении температурой своего критического значения
устройство отключает питание на ртутной лампе.
Время задержки составляет около 0,2 с. После этого прекращается инициирование реакции, взрывной процесс не развивается и воспламенение смеси
не происходит. При этом максимальная температура смеси не превышает
340 К.
Структурная схема автоматического устройства предотвращения фототеплового воспламенения представлена на рис. 7 [4].
Рис. 7. Структурная схема автоматического устройства
оперативного отключения источника излучения с помощью термосенсора:
1 – операционный дифференциатор; 2, 3 – усилители; 4– компаратор;
5, 6 – согласующие устройства; 7 – блок отключения питания источника
излучения; 8 – блок отключения сенсора; 9– блок сигнализации
Тепловой взрыв в замкнутых объёмах развивается достаточно быстро,
поэтому для надёжной сигнализации о возможной аварии система взрывозащиты должна обладать высоким быстродействием, включая вместе с термосенсором и весь электронный канал.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
6
При динамических измерениях надо учитывать инерционность измерительной аппаратуры.
Для оценки инерционности всего устройства предотвращения фототеплового воспламенения предложена электронная схема, с помощью которой опытным путём была определена суммарная инерционность.
На рис. 8. приведена структурная схема экспериментальной установки
для определения суммарной инерционности всего устройства. Была проведена
опытная оценка суммарной инерционности всего устройства.
Рис. 8. Блок-схема установки для измерения инерционности
устройства предотвращения аварии:
1 – генератор прямоугольных импульсов Г5-54; 2 – устройство
предотвращения воспламенения; 3 – пускорегулирующий блок;
4 – источник излучения; 5 – фотоприёмник; 6 – осциллограф С8-13
Согласно схеме, прямоугольный импульс длительностью 10-3 с, частотой
10 Гц и амплитудой 1 В через делитель напряжения (R1 и R2) подаётся одновременно на вход устройства 2 и на вход внешней синхронизации осциллографа 6.
Ступенчатый импульс передним фронтом одновременно осуществляет
запуск горизонтальной развёртки С8-13 и вызывает переходные процессы
в электронной схеме устройства 2.
На информационный вход осциллографа подаётся сигнал с фотоприёмника 5, который облучается светом ртутной лампы 4.
С окончанием переходных процессов в устройстве происходит отключение источника света; электрический сигнал с фотоприёмника падает до нуля.
На рис. 9. приведена временная диаграмма процесса.
Таким образом, общая инерционность устройства с учётом быстродействия термосенсора составляет 2·10-3 с, что значительно меньше критического
времени развития теплового взрыва и опасного периода воспламенения.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
7
Рис. 9. Временная диаграмма переходного процесса
при срабатывании устройства (и – инерционность)
Испытания показали надёжность метода, важным преимуществом которого является то, что аварийное отключение не выводит фотореактор из работоспособного состояния.
Лабораторные испытания устройства предотвращения фототеплового
воспламенения проводились неоднократно и во всех случаях взрывной процесс
не возникал.
Предложенный вариант оперативного обнаружения и предупреждения
развития взрывного процесса имеет качественные преимущества, по сравнению
с известными способами взрывозащиты технологического оборудования. Нет
необходимости вводить в реакционный канал огнетушащее вещество. При этом
отпадает необходимость в наиболее инерционной механической части системы.
Принципиальная схема автоматического устройства предотвращения фототеплового воспламенения представлена на рис. 10.
Метод плёночной термометрии и созданная на его основе технология
ранней диагностики и контроля рабочих параметров динамических процессов
непрерывного цикла [7] обеспечивает предотвращение развития аварийной
ситуации на критически опасных объектах, в особенности таких, в которых
в качестве инициатора химических реакций применяются радиоактивные
источники.
В качестве примера можно привести систему обеспечения безопасности
в радиационных установках. На рис. 11. показана схема радиохимического
аппарата, в котором в качестве малоинерционного контролёра предлагается
тонкоплёночный термосенсор.
В случае теплового воспламенения по сигналу термосенсора происходит
сброс радиоактивных источников в хранилище.
Диагностику развития взрыва ацетилено-воздушной смеси можно провести с использованием термосенсоров с поглощающим покрытием.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
8
Рис. 10. Принципиальная электрическая схема устройства предотвращения
фототеплового воспламенения (1– дифференциатор; 2 – компаратор;
3 – усилитель; 4 – согласующее устройство) [6].
Рис. 11. Схема радиационного агрегата с системой обнаружения
воспламенения и предупреждения взрыва:
1 – корпус установки; 2 – радиоактивные элементы; 3 – термосенсор;
4 – процессор; 5 – регистратор; 6 – канал сброса источников в хранилище
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
9
Известно, что при разгерметизации технологического оборудования
с горючими смесями возникает ситуация, при которой появляется реальная
опасность взрыва с последующим развитием пожара. На Воронежском предприятии по нашему предложению был проведен опыт по регистрации развития
взрыва ацетилено-воздушной смеси в канале с предохранительными клапанами.
Конструкция плёночного термосенсора с фильтром из лейко-сапфира
показана на рис. 12.
Рис. 12. Термосенсор для индикации излучения:
1 – фильтр; 2 – термодатчик
При инициировании взрывного процесса возникала вспышка ацетиленовоздушной смеси в канале. Выходной сигнал регистрировался через тензостанцию RFT на шлейфовый осциллограф марки Simens .
Выполненные экспериментальные исследования и испытания автоматического устройства предотвращения развития аварийной ситуации в различного
рода технологических процессах показали надёжность предложенного метода
и малоинерционного инструментария при разработке и эксплуатации реакторов
химического и энергетического назначения.
Литература
1. Беликов А.К., Поляков Ю.А., Бегишев И.Р. Диагностика фотовоспламенения и распространения пламени в горючих газовых смесях // Пожаровзрывобезопасность. 2009. № 6. С. 37-40.
2. Воспламенение газовых смесей 1,1- дифторэтана с хлором под действием непрерывного источника света / Бегишев И.Р., Поляков Ю.А., Полуэктов И.Р., Беликов А.К. // Тр. 9-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка, 1989. С. 12-14.
3. Бегишев И.Р., Беликов А.К., Поляков Ю.А. О возможности воспламенения реакционных газовых смесей при фотохлорировании предельных фторзамещённых углеводородов //
Тр. 6-й Всесоюзной конференции по химии фторорганических соединений. Новосибирск, 1990.
С. 133-135.
4. Бегишев И.Р., Беликов А.К., Поляков Ю.А. Предотвращение теплового взрыва в фотохимических процессах прямого хлорирования // Тр. науч.-техн. конф. "Взрывобезопасность технологических процессов". Северодонецк: Изд-во ГНИИТБХП, 1992. С. 45-48.
5. Бегишев И.Р., Беликов А.К., Поляков Ю.А. Быстродействующий способ предотвращения фототеплового воспламенения реакционных газовых смесей // Тр. 4-й междунар. конф.
"Информатизация систем безопасности" – ИСБ-95. М.: ВИПТШ МВД России. 1995. С. 98-100.
6. Беликов А.К. Фототепловое воспламенение хлорсодержащих горючих смесей и исследование возможности его предотвращения: дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: ВИПТШ
МВД России, 1992. 185 с.
7. Поляков Ю.А., Макаров Ю.В. Тепловая диагностика воспламенения водородовоздушных смесей за ударной волной // Пожары и ЧС. 2011. № 3. С. 4-9.
Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb)
Выпуск № 4 (50), 2013 г.
10