Пожаро- и взрывоопасные свойства аэрозолей наноразмерных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Минаев, Дмитрий Сергеевич

• Минаев, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Минаев, Дмитрий Сергеевич

Введение 4 Аналитический обзор исследований пожаровзрывоопасности аэрозолей твердых веществ

1.1 Техногенные катастрофы при обороте дисперсных материалов

1.2 Пожаровзрывоопасность газов, жидкостей и твердых веществ

1.3 Пожаровзрывоопасность аэрозолей твердых частиц

Влияние размера частиц аэрозолей на значения показателей

1.4 33 пожаровзрывоопасности веществ

Оценка пожаровзрывоопасности аэрозолей наноразмерных

1.5 38 частиц

Обзор экспериментальных исследований показателей

1.6 45 пожаровзрывоопасности аэрозолей наноразмерных частиц

1.7 Постановка задачи исследования

Экспериментальное определение пожаровзрывоопасности аэрозолей микро- и наноразмерных частиц

2.1 Характеристики исследуемых веществ

Описание экспериментальной установки определения

2.2 60 показателей пожаровзрывоопасности аэрозолей

Методика определения показателей пожаровзрывоопасности

2.3 69 аэрозолей различного гранулометрического состава

2.4 Обработка экспериментальных данных

2.5 Выводы

Результаты экспериментальных исследований

3 пожаровзрывоопасных свойств аэрозолей микро- и 79 наноразмерной фракции

Результаты экспериментальных исследований неорганических

3.1 80 веществ

Результаты экспериментальных исследований органических

3.2 85 веществ

3.3 Выводы

4 Анализ полученных экспериментальных данных

Оценка метода исследования и достоверности полученных

4.1 106 экспериментальных данных

Научное обоснование особенностей дефлаграционного горения

4.2 110 аэрозолей наноразмерных частиц

4.3 Оценка опасности аэрозолей наноразмерных частиц

4.4 Выводы 122 Заключение 127 Список использованной литературы 129 Приложение А - Методика проведения эксперимента на модернизированной установке «Универсал»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пожаро- и взрывоопасные свойства аэрозолей наноразмерных материалов»

В последнее время наметилось развитие процессов получения, изучения и применения различных наноразмерных материалов. Объемы получения и применения таких материалов увеличиваются с каждым годом

1]. Однако порядок работы с ними до настоящего времени ничем не регламентирован. И если в вопросах оценки токсического воздействия наноразмерных материалов работы ведутся и уже получены определенные результаты об увеличении опасности веществ с уменьшением размера частиц

2], то в области пожаро- и взрывоопасности сведения практически отсутствуют.

Известный факт значительного влияния размера частиц аэрозоли на восприимчивость к инициирующему импульсу и давление взрыва особенно остро ставит вопросы о том, будут ли высокодисперсные вещества опаснее и на сколько, можно ли обеспечить требуемый уровень безопасности технологических процессов получения и применения нанодисперсных веществ требованиями и классификациями действующих норм, подходят ли существующие методики для исследования нанодисперсных материалов и др.

Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью оценки параметров взрыва аэрозолей наноразмерных частиц, предположительно более опасных по причинам высокой удельной площади поверхности, меньшего удельного веса и большой доли атомов в структуре элемента, находящихся на его поверхности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые экспериментально определены показатели пожаровзрыво-опасности аэрозолей гидрохинона (СбН4(ОН)2), лактозы (С12Н22О1 ]), резорцина (СбНбОг) и уротропина (СбН^^) на основе наноразмерных частиц;

- научно обоснованы результаты полученных экспериментальных данных об изменении показателей взрыва, предложен режим горения аэровзвесей наноразмерных частиц;

- усовершенствована существующая методика экспериментального определения основных показателей взрыва аэрозолей микро- и наноразмерных твердых частиц, в том числе добавлены требования по определению средней скорости нарастания давления взрыва и оценке индекса пожаровзрывоопасности (К51, МПа-м/с);

- проведена качественная и количественная оценка опасности нанодисперсных веществ, позволяющая расширить границы научных знаний о влиянии размера частиц на характер горения аэрозолей, а также даны рекомендации по повышению промышленной и пожарной безопасности технологических процессов, связанных с обращением аэрозолей наноразмерных частиц.

Практическая значимость работы выражается в следующем:

- результаты экспериментального определения показателей пожаровзрывоопасности наноразмерных веществ могут быть использованы при составлении технологических регламентов, национальных стандартов, при классификации помещений и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности, при классификации зон по взрывоопасное™ и пожарной опасности;

- количественная оценка опасности веществ в нанодисперсном состоянии позволит принимать рациональные и обоснованные решения при разработке мер обеспечения пожаро- и взрывобезопасности;

- модернизированная установка исследования показателей пожаровзрывоопасности аэрозолей может быть рекомендована для применения, в том числе, в исследованиях пожаровзрывоопасных свойств наноразмерных материалов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Минаев, Дмитрий Сергеевич

4.4 Выводы

Результаты экспериментальных исследований и их анализ (таблица 4.2), а также рассмотрение результатов исследований [53], приводят к выводу о том, что уменьшение размера частиц вещества в область «нано» оказывает влияние на его показатели пожаровзрывоопасности; значения показателей для аэрозолей нанодисперсных веществ отличаются от установленных в нормативных источниках и полученных экспериментальным путем для веществ микродисперсного состава. Данный факт требует внесения определенных корректировок в нормативную базу, исследовательскую' составляющую, а также проведение широкомасштабных экспериментальных исследований веществ в нанодисперсном состоянии. До этого момента необходимо, руководствуясь полученными в данной работе экспериментальными данными, при работе с нанодисперсными веществами обеспечивать не менее 10 % запаса прочности по давлению взрыва, увеличение площади разгерметизирующих устройств на 70 %, полностью исключить источники воспламенения любой мощности при возможности образования концентрации аэрозолей равной или свыше НКПР. Сам НКПР аэрозолей наноразмерных частиц увеличивается, что позволяет при соблюдении остальных аспектов безопасности, организовать процесс с большим КПД аппаратов, большим расходом продуктов, снижением времени на флегматизацию взрывоопасной среды и др.

Нарастающие темпы развития нанотехнологий и расширение областей применения нанодисперсных материалов ставят острой проблему нехватки сведений по показателям взрыва этих веществ. Возникает вопрос: можно ли на первом этапе обеспечить безопасность производств при оперировании показателями, полученными аналитическим путем? Несмотря на явное преимущество данного метода в условиях отсутствия экспериментально установленных значений показателей взрыва нанодисперсных аэрозолей, организация технологического процесса с использованием вычисленных показателей не обеспечит должного уровня безопасности, в частности, в пределах 30 % может быть недооценено максимальное давление взрыва, примерно на 300 % и более может быть недооценена максимальная скорость нарастания давления взрыва.

Для объективной оценки влияния на итоговые значения показателей пожаровзрывоопасности применения нанодисперсных аэрозолей веществ требуется решить задачу комплексного исследования вещества на нескольких фракциях со средним в области микродиапазона (например, 10 мкм, 30 мкм, 50 мкм, 70 мкм, 100 мкм) для оценки влияния режима фазодинамического горения и затем исследования нанодисперсной фракции для сравнения данных. Однако, уже сейчас ясно, что характер влияния размера частиц на показатели взрыва вещества, обнаруженный для микродисперсных фракций, сохраняется и в области наномасштаба.

Исследования необходимо продолжать, так как полученные сведения о значениях параметров взрыва аэрозолей наноразмерных частиц позволят объективно оценивать и планировать безопасность получения, применения нанодисперсных веществ. На данный момент, пока пожаровзрывоопасность наноразмерных частиц достоверно не оценена и нет нормативных документов, регламентирующих процессы их безопасного производства, транспортировки, применения и хранения, следует принимать меры управления риском аварии.

Заключение

1. Впервые экспериментально определены показатели пожаровзрывоопасности аэрозолей ряда органических веществ на основе наноразмерных частиц. Полученные данные свидетельствуют, что с уменьшением среднего размера с микро- до наноуровня у аэрозолей гидрохинона (С6Н4(ОН)2), лактозы (С12Н22О11), резорцина (С6Н602) и уротропина (СбН^^) нижний концентрационный предел распространения пламени увеличивается примерно на 70 %, давление взрыва остается прежним, а средняя и максимальная скорости нарастания давления увеличиваются приблизительно на 50 %.

2. Научно обоснованы результаты полученных экспериментальных данных об изменении показателей взрыва, предложен режим распространения пламени по аэровзвесям наноразмерных частиц. Показано, что основными причинами изменений показателей взрыва аэрозолей на основе наноразмерных веществ являются, с одной стороны, увеличение удельной площади поверхности, а с другой - смена режима горения с фазодинамического на гомогенный.

3. Усовершенствована представленная в ГОСТ 12.1.044-89 «ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» существующая методика экспериментального определения показателей взрыва аэрозолей: нижнего концентрационного предела распространения пламени, максимального давления взрыва и максимальной скорости нарастания давления взрыва аэрозолей микро- и наноразмерных твердых частиц, добавлен порядок определения средней скорости нарастания давления взрыва и требование к оценке индекса пожаровзрывоопасности (К51, МПам/с).

4. Проведена оценка опасностей аэрозолей веществ в нанодисперсном состоянии и даны рекомендации по повышению промышленной и пожарной безопасности технологических процессов, связанных с обращением аэрозолей наноразмерных частиц. Предложено исключить источники зажигания любой мощности, а при разработке и выборе средств взрывозащиты увеличивать площадь разгерметизирующих устройств технологических аппаратов и производственных помещений до 70 % в зависимости от обращаемого вещества.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Минаев, Дмитрий Сергеевич, 2011 год

1. Реестр нанотехнологической продукции // ОАО «Роснано». 2011. Систем, требования: Acrobat Reader. URL: http://www.rusnano.com/Document. aspx/Download/30728 (дата обращения 18.10.2011).

2. MP 1.2.2522-09. Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека. М.3 2009. 36 с.

3. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989. 672 с.

4. Катастрофы в СССР (1953-1989) // Живой Журнал. 2008. URL: http://afanarizm.livejournal.com/101469.html (дата обращения 18.10.2011).

5. Eckhoff Rolf К. Dust Explosions in the Process Industries: Elsevier Science. USA.: Elsevier Science, 2003. 720 p.

6. Events That Touched Our Ancestors' Lives. Explosions // Gendisasters. Explosions. 2011. URL: http://www3.gendisasters.eom/taxonomymenu/3/54 (дата обращения 18.10.2011).

7. M. Y. H. Bangash. Shock, Impact and Explosion: Structural Analysis and Design. New York: Springer-Verlag, 2008. 1500 p.

8. The risks of explosion // ATEX Explosion Hazards Ltd. United Kingdom. 2011. URL: http://www.explosionhazards.co.uk/the-risks-of-explosion (дата обращения 18.10.2011).

9. Events That Touched Our Ancestors' Lives. Explosions // Gendisasters. Texas Explosions. 2011. URL: http://www3.gendisasters.com/mainlist/texas/ Explosions (дата обращения 18.10.2011).

10. Теплов А.Ф. Защита от взрывов и аварий на производстве // Пожарная автоматика. 2006. URL: http://www.securpress.ru/issue/Pavt/2006/ teplov.html (дата обращения 17.10.2011).

11. Ликвидирован крупный пожар в производственном цеху в Пинске // МЧС Белоруссии. Новости от 25.10.2010 URL: http://rescue01.gov.by/rus/main/ events/news/~yearm22=2010~pagem22=5~newsm22=l850 (дата обращения 20.09.2011).

12. Потапова Ю. Не то дробили. Прогремел взрыв на заводе в Новокузнецке // Российская газета № 5198 (119) от 3 июня 2010 г. URL: http://www.rg.ru/2010/06/03/vzriv.html (дата обращения 19.10.2011).

13. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Асс. «Пожнаука», 2004. 4.1. 713 е.; 4.2. 774 с.

14. Методические указания к изучению темы «Чрезвычайные ситуации, связанные с пожарами и взрывами» /. Сост. С.М. Сербии, Г.А. Колупаев. М.: Изд-во Рос. экон. акад. им. Г.В. Плеханова, 1999. 34 с.

15. Полетаев H.J1. Взрывоопасность пылей: дис. докт. техн. наук. М., 1998. 245 с.

16. Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва. М.: Пожнаука, 2007.266 с.

17. P. Day. Exploring the universe: essays on science and technology // United Kingdom: Oxford University Press, 1997. 213 p.

18. Beyersdorfer P. Staub-Explosionen. Dresden und Leipzig: Verlag von Theodor Steinkopff, 1925. 125 p.

19. Рябов И.В. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. Справочник. М.: изд. «Химия», 1970. 336 с.

20. Андреев К.К. Взрыв и взрывчатые вещества. М.: Военное издательство министерства союза ССР, 1956. 116 с.

21. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 502 с.

22. Безуглов П.Т. Справочная таблица огнеопасных веществ. Изд. 3-е, испр. и дополн. М., Д.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1950. 108 с.

23. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. М.: Химия, 1986. 216 с.

24. Талантов A.B. Основы теории горения: учеб. пособие. Казань: Казанский ордена трудового красного знамени авиационный институт им. А.Н. Туполева, 1975. 4.1. 252 с.

25. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Изд. 3-е, перераб. Л.: Химия, 1987. 264 с.

26. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. Л.: Химия, 1983. 143 с.

27. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. Изд. 2-е, перераб. М.: Химия, 1979. 424 с.

28. Таубкин С.И., Таубкин И.С. Пожаро- и взрывоопасность пылевидных материалов и технологических процессов их переработки. М.: Химия, 1976. 264 с.

29. Шебеко Ю.Н., В.Ю. Навценя, С.Н. Копылов и др. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов: Руководство. М.: ВНИИПО, 2002. 77 с.

30. Combustion and explosion characteristics of dusts // DGUV (German Social Accident Insurance). BIA-Report 13/97. 2011. Систем, требования: Acrobat Reader. URL: http://www.dguv.de/ifa/en/pub/rep/pdf/rep02/biarl397/ kapl9.pdf (дата обращения 18.10.2011).

31. Клевлеев B.M., Минаев Д.С., Алиференкова М.А. Пожаровзрывоопасность взвешенной ультрадисперсной пыли // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. № 12. С. 11-13.

32. Физический энциклопедический словарь / Под ред. Прохорова A.M. M.: Советская энциклопедия, 1983. 928 с.

33. Опасные факторы чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: курс лекций по разделу «Процессы горения. Опасные факторы пожаров» / Авт.-сост. A.B. Врублевский, М.В. Гороховик, A.A. Николаев, A.A. Людко. Мн.: КИИ, 2005. 189 с.

34. Минаев Д.С., Клевлеев В.М. Проблемы оценки пожаровзрывоопасности взвешенной пыли, состоящей из наночастиц // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 4. С. 28-29.

35. Бахман H.H., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: Наука, 1967. 227 с.

36. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М., 2006. 100 с. (Система стандартов безопасности труда).

37. ГОСТ 12.1.041-83. Пожаровзрывобезопасность горючих пылей. Общие требования. М., 1983. 10 с. (Система стандартов безопасности труда).

38. Crowl Daniel A. Understanding explosions. USA: American Institute of Chemical Enginers, 2003. 222 p.

39. Паспорт установки определения показателей взрывоопасности аэровзвесей твердых веществ. НТ.122.000 ПС. УДК 614.841.41. 29 с.

40. Минаев Д.С. Необходимость и проблемы оценки пожаровзрывоопасности взвешенной пыли, состоящей из наночастиц // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. М.: МГУИЭ, 2009.

41. How to estimate nanoaerosol explosion risk? // European Strategy for Nanosafety, October 2008. 8 p. Систем, требования: Acrobat Reader. URL: http://www.nanosafe.org/home/liblocal/docs/Dissemination%20report/ DR4s.pdf (дата обращения 19.11.2011 ).

42. Основы теории горения / под ред. Д.Н. Вырубова. Д.: Государственное энергетическое издательство, 1959. 321 с.

43. Взрывные явления. Оценка и последствия: в 2-х кн. Кн.1. Пер. с англ./Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др.; Под ред. Я.Б. Зельдовича, Б.Е. Гельфанда. М.: Мир, 1986. 319 с.

44. Васин А .Я. Взаимосвязь химического строения и пожаровзрывоопасности органических красителей, лекарственных средств и их аэровзвесей: автореферат дис. докт. техн. наук. М.: 2008, 32 с.

45. Fire and explosion properties of nanopowders // Health and Safety Laboratory. HSE book. 2010. 76 p.

46. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учеб. пособие для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 325 с.

47. Что такое нанохимия? // Информационно-образовательный ресурс по нанотехнологиям. 2009. URL: http://nanotech.ex6.ru/?q=node/16 (дата обращения 18.10.2011).

48. Новые материалы / Под ред. Ю.С. Карабасова. М.: МИСИС, 2002.736 с.

49. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2005. 336 с.

50. Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. Изд. 2-е, переб. М.: Химия, 1981. 272 с.

51. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ, изд.: в 2 книгах; кн. 1 / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. М.: Химия, 1990. 496 с.

52. Способы утилизации отходов химического, металлургического и машиностроительного производства // Сайт о правильном сборе и вывозе мусора. 2011. URL: http://clean-future.ru/useful/192-sposoby-utilizacii-othodov (дата обращения 15.10.2011).

53. Горение и взрыв: научное издание, вып. 2 / Под общей ред. С.М. Фролова. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2009. 192 с.

54. Ritsu Dobashi. Risk of dust explosions of combustible nanomaterials // Nanosafe 2008: International Conference on Safe production and use of nanomaterials: Journal of Physics. United Kingdom: IOP Publishing Ltd, 2009. 6 p.

55. Bidabadi M., Montazerinejad S., Rahbari A. Premixed flame propagation considering radiative heat transfer in nano lycopodium particles // Proceeding of Power MEMS Micro EMS. November, 2008. P. 425-428.

56. ГОСТ 22226-76. Ликоподий. Технические условия. М., 2010. 3 с.

57. Ignition and explosion of nanopowders: Something new under the dust / O. Dufaund, A. Vignes, F. Henry, L. Perrin, J. Bouillard. Nanosafe 2010. 25 p.

58. Dust Explosion Characteristics of Agglomerated 35nm and lOOnm Aluminum Particles / International Journal of Chemical Engineering (article ID 941349). 2010. 6 p.

59. Literature review explosion hazards associated with nanopowders / Health & Safety Laboratory: project leader D.K. Pritchard (article ID EC/04/2003/21575). March 2004. 22 p.

60. Справочник химика: в 6-ти томах. Т.З. Изд. 2-е, перераб. и дополн. / под ред. Б.П. Никольский. Л.: ХИМИЯ, 1965. 1008 с.

61. Кауль А.Р. Химические методы синтеза неорганических веществ и материалов: описание задач спецпрактикума. 4.2. М.: МГУ им. Ломоносова (химич. ф-т), 2008. 212 с.

62. Химия. Получение и превращение вещества и энергии: уч. пособие / В.А. Яблоков, Нижегород. гос. архитектур.-строит, ун-т. Н. Новгород: ННГАСУ, 2010. 192 с.

63. Справочник химика: в 6-ти томах. Т.5. 2-е изд., перераб. и дополн. / под ред. Б.П. Никольский. Л.: ХИМИЯ, 1968. 976 с.

64. Диффузионный аэрозольный спектрометр (ДАС) модель 2702 // AeroNanoTech. 2011. URL: http://ru.aeronanotechnology.com/diffuzionnyy aerozolnyyspektrometr (дата обращения 18.10.2011).

65. ГОСТ 828-77. Натрий азотнокислый технический. Технические условия. М., 2002. 12 с.

66. ГОСТ 19790-74. Селитра калиевая техническая (калий азотнокислый технический). Технические условия. М., 2006. 19 с.

67. ГОСТ 9970-74. Резорцин технический. Технические условия. М., 1999. 11 с.

68. ГОСТ 1381-73. Уротропин технический. Технические условия. М., 2005. 8 с.

69. ГОСТ 19627-74. Гидрохинон (парадиоксибензол). Технические условия. М., 1991. 12 с.

70. Правила устройства электроустановок. Издание 6-е, переработанное и дополненное с изменениями. М.: ГОСЭНЕРГОНАДЗОР, 2000. 1026 с.

71. ГОСТ 12766.1-90. Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия. М., 2003. 18 с.

72. Приборы для измерения давления. Датчик давления тензометрический типа ЛХ-415. // Торговый Дом «Измерение». Приборы для измерения давления. 2011. URL: http://www.measurement.ru/gk/davlenie/01/ I 128.htm (дата обращения 18.08.2011).

73. Справочник по химическим веществам // Сайт о химии. 2011. URL: http://www.xumuk.ru/ (дата обращения 18.10.2011).

74. Минаев Д.С. Испытательная установка для определения показателей взрыва // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. М.: МГУИЭ, 2011.

75. Шидловский A.A. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1973.320 с.

76. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. М., 1998. 89 с. (Система стандартов безопасности труда).