КОМПОЗИЦИЯ ИНГРЕДИЕНТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕТУШАЩЕГО ПОРОШКА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ Композиция ингредиентов для получения огнетушащего порошка и способ его изготовления относится к химическим средствам тушения пожаров, конкретно к огнетушащим композициям, которые применяются для тушения жидких и газообразных материалов, а также электрооборудования под напряжением.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Среди порошков, применяемых для тушения пожаров, определенное место занимают порошковые огнетушащие композиции на основе продукта взаимодействия карбамида (мочевины) с карбонатами или гидроксидами щелочных металлов общей формулы MC2N2H3O3, где M - щелочной металл (калий или натрий). Иногда в реакционную смесь мочевины и карбоната щелочного металла дополнительно вводят примеси высокодисперсных нерастворимых в воде веществ, таких как белая сажа, оксид магния, химически осажденные карбонат кальция, сульфат бария и тому подобное. Кроме того, берут опудривающие вещества, покрывающие поверхность частиц огнетушащего порошка, предотвращающие слипание частиц, а также увеличивающие текучесть порошка по трубопроводу. Такими веществами могут быть дисперсные слоистые минералы, например, слюда, высокодисперсный кремнезем (аэросил) и тому подобное.
Известна композиция ингредиентов для получения огнетушащего порошка, приведенная в описании к авторскому свидетельству СССР N° 1018652, МПК3 A62D 1/00, 23.05.83, бюллетень Na 19. Эта композиция содержит мочевину и карбонат калия в соотношении от 0,5:5,0 до 5,0:0,5, а также алюмосиликат, неорганический полимер общей формулы (MePO3)n, где Me - калий или натрий, а п = 1 — 200, и
поверхностно-активное вещество - соли четвертичных аммониевых соединений, имеющих от 8 до 24 атомов углерода.
Общим признаком с заявляемой композицией ингредиентов для получения огнетушащего порошка является наличие мочевины, карбоната калия, алюмосиликата.
Недостатком такой композиции является то, что полученный из нее огнетушащий порошок имеет умеренные качественные характеристики.
В качестве прототипа выбрана композиция ингредиентов для получения огнетушащего порошка, приведенная в примерах 1 — 4 описания к авторскому свидетельству СССР JYa 1021041, МПК3 A62D 1/00, дата публикации 07.07.80. Эта композиция имеет следующий состав в перерасчете в мае. %: Карбонат калия 46,2 - 52,8
Мочевина 25,8 - 49,4
Хлорид аммония 1,8 — 20,4
Аэросил (высокодисперсный гидрофобный кремнезем) 1
По п. 2 формулы изобретения этого авторского свидетельства аммониевые соли вводят в количестве 0,1 — 1,0 моль на 1 моль карбоната щелочного металла.
Общим признаком с заявляемой композицией является наличие карбоната калия, мочевины, неорганической соли, высоко дисперсного гидрофобного кремнезема.
Недостатком такой композиции являются умеренные свойства огнетушащего порошка, полученного из композиции ингредиентов по прототипу.
Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются недостаточно удачно выбранные качественный и количественный состав композиции.
Известен способ изготовления огнетушащей порошковой композиции (авторское свидетельство СССР N° 1018652, МПК3 A62D 1/00, дата публикации 23.05.83, бюллетень N° 19). По этому способу смешивают мочевину с карбонатом
калия в соотношении от 0,5:5,0 до 5,0:0,5 и в присутствии неорганической добавки растворяют в воде. Неорганическая добавка состоит из алюмосиликата, неорганического полимера общей формулы (MePOз)n, где Me - калий или натрий, а п = 1 — 200, и поверхностно-активного вещества - соли четвертичных аммониевых соединений, имеющих от 8 до 24 атомов углерода. В качестве алюмосиликата берут материал, выбранный из ряда: бентонит, флогопит, вермикулит, минерал опал- кристобалитовой группы. Приготовленную водную суспензию подвергают термообработке при начальной температуре 180 - 270 0C и конечной температуре 105 - 180°C. Общими признаками с заявляемым способом является растворение в воде компонентов, а также термическая обработка раствора.
К недостаткам способа-аналога относится то, что изготовленные по этому способу огнетушащие порошки способны поглощать много влаги, имеют сравнительно высокую слеживаемость, низкую текучесть и малую огнетушащую способность.
Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются: применение в способе только термической обработки раствора компонентов, недостаточно удачно выбранный состав композиции.
В качестве прототипа способа изготовления огнетушащего порошка выбран по наибольшему числу общих существенных признаков способ, описанный в авторском свидетельстве СССР N° 1021041, МПК3 A62D 1/00. По этому способу огнетушащий порошок получают так: сначала готовят водный раствор аммониевой соли неорганических кислот, мочевины и карбоната щелочного металла, затем полученный раствор диспергируют и высушивают методом распыления в потоке нагретого газа, отделяют полученный порошок от парогазовой смеси и смешивают его с добавками. Аммониевую соль вводят в количестве 0,1 - 1,0 моль на 1 моль карбоната щелочного металла.
Общими признаками с заявляемым изобретением являются: приготовление водного раствора неорганической соли, мочевины и карбоната щелочного металла,
диспергирование и высушивание в потоке нагретого газа, отделение полученного порошка от парогазовой смеси и смешивание его с опудривающими добавками.
К недостаткам способа-прототипа относится то, что изготовленный огнетушащий порошок имеет удовлетворительную текучесть, но его слеживаемость остается еще сравнительно высокой.
Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются недостаточно удачно выбранные состав компонентов и параметры процесса изготовления огнетушащего порошка.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка и способа его изготовления, путем изменения качественного и количественного состава композиции ингредиентов, а также путем изменения параметров способа изготовления огнетушащего порошка обеспечить повышение текучести огнетушащего порошка по трубам и пожарным рукавам, а также уменьшение слеживаемости.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение текучести по трубам огнетушащего порошка и уменьшение слеживаемости, что продлевает срок его хранения. Поставленная задача решается тем, что в композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка, состоящей из мочевины, карбоната калия, неорганической соли и высокодисперсного кремнезема, согласно изобретению, в качестве неорганической соли композиция содержит сульфат железа (II) и хлорид калия, а также дополнительно содержит органосиликонат и дисперсный алюмосиликат при следующем соотношении компонентов в мае. %: Карбонат калия 20,0 - 35,0
Мочевина 15,0 - 25,0
Органосиликонат 0,2 - 6,0
Сульфат железа (II) 10,0 - 20,0
Хлорид калия 18,0 - 40,0
Высокодисперсный кремнезем 0,3 - 2,0
Дисперсный алюмосиликат 0,9 - 6,5
Первое дополнительное отличие композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка заключается в том, что в качестве органосиликоната она содержит органосилантриол общей формулы R-Si(OH)3, где R — алкил, винил, алил, арил. Второе дополнительное отличие композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка заключается в том, что в качестве органосиликоната она содержит органосиликонат натрия общей формулы R-Si(OH)2ONa, где R - алкил, арил, арилалкил, винил.
Третье дополнительное отличие, композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка заключается в том, что в качестве органосиликоната она содержит органосиликонат алюминия.
Четвертое дополнительное отличие композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка заключается в том, что в качестве дисперсного алюмосиликата она содержит измельченные флогопит или обожженный вермикулит с размерами частиц меньше 30 мкм.
Пятое дополнительное отличие композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка заключается в том, что в качестве высокодисперсного кремнезема она содержит аэросил или гидрофобизированный аэросил.
Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления огнетушащего порошка, включающем приготовление водного раствора неорганической соли, мочевины и карбоната щелочного металла, диспергирование и высушивание в потоке нагретого газа, отделение полученного порошка от парогазовой смеси и смешивание его с опудривающей добавкой, согласно изобретению, для приготовления водного раствора в качестве неорганической соли используют хлорид калия и сульфат железа (II), а также дополнительно добавляют
органосиликонат, полученную смесь диспергируют и высушивают в потоке разогретого газа при температуре в начале процесса 400 - 450 0C, полученный порошок отделяют от парогазовой смеси, разделяют на фракции, отбирают фракцию с размером частиц 10 — 100 мкм, а фракции с частицами более крупного размера измельчают, смешивают фракции до требуемого гранулометрического состава, а в качестве опудривающей добавки используют смесь дисперсного алюмосиликата с высокодисперсным диоксидом кремния в количестве 0,5 - 8,0 % от массы готового продукта.
Первое дополнительное отличие способа изготовления огнетушащего порошка заключается в том, что для приготовления водного раствора ингредиентов смешивают раствор мочевины и сульфата железа с раствором поташа, а потом добавляют раствор хлорида калия и органосиликоната.
Второе дополнительное отличие способа изготовления огнетушащего порошка заключается в том, что смесь дисперсного алюмосиликата с высокодисперсным диоксидом кремния предварительно гомогенизируют.
Третье дополнительное отличие способа изготовления огнетушащего порошка заключается в том, что смешивают фракции до получения следующего гранулометрического состава порошка в мае. %: Фракция менее 10 мкм 10 - 80
Фракция 10 - 100 мкм 10 - 80
Фракция более 100 мкм, не более 10
Четвертое дополнительное отличие способа изготовления огнетушащего порошка заключается в том, что смешивают фракции до получения следующего гранулометрического состава порошка в мае. %: Фракция менее 5 мкм 10 - 50
Фракция 5 - 20 мкм, не более 10
Фракция 20 - 100 мкм 30 - 70
Фракция более 100 мкм, не более 10
Пятое дополнительное отличие способа изготовления огнетушащего порошка заключается в том, что огнетушащий порошок после смешивания с опудривающей добавкой, дополнительно измельчают до размера частиц менее 20 мкм.
Шестое дополнительное отличие способа изготовления огнетушащего порошка заключается в том, что отделенную от полученного порошка парогазовую смесь подвергают очистке от пыли и аммиака методом мокрой очистки водой или водным раствором минеральной кислоты, полученный раствор нейтрализуют до рН = 4,5 - 5,0, направляют в начало процесса и добавляют к солевому раствору. Этот раствор затем используют для изготовления следующих порций огнетушащего порошка.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ПРИМЕР 1
Для изготовления огнетушащего порошка берут композицию ингредиентов при следующем соотношением в мае. %:
Карбонат калия 20,0
Мочевина 15,0
Органосиликонат 3,0
Сульфат железа (II) 14,0
Хлорид калия 40,0
Высокодисперсный кремнезем 2,0
Дисперсный алюмосиликат 6,0 В 10 л воды растворяют 1 ,5 кг мочевины и 1 ,4 кг сульфата железа. В 6 л воды растворяют 2 кг поташа. В 12 л воды растворяют 4 кг хлорида калия и 0,3 кг органосиликоната (метилсиликоната натрия). В раствор мочевины и сульфата железа при постоянном перемешивании добавляют раствор поташа, а затем добавляют раствор хлорида калия и метилсиликоната натрия. Полученную смесь диспергируют и высушивают в потоке разогретого газа при температуре в начале процесса 450 0C. Капли солевого раствора в потоке горячих газов раздуваются в пузыри водяным паром и образующимися газами. После испарения воды из пузырей
образуются частицы порошка, исследование которых методами электронной микроскопии показало, что это полые сферы, внешние и внутренние поверхности которых покрыты органосиликонатом. Диаметр сферических частиц достигает 300 мкм, а стенки толщиной не более 5 мкм, причем материал стенок распушен органосиликонатами. В потоке горячих газов также проходит химическое преобразование компонентов с образованием высокоэффективного огнетушащего соединения, имеющего общую формулу KC2N2H3O3. Благодаря тому, что материал стенок полых сфер распушен органосиликонатами, сферы проявляют высокую способность к измельчению. Это позволяет сравнительно легко получать при измельчении порошки с высоким содержанием фракции с размером частиц менее 5 мкм. Эта фракция по результатам экспериментальных исследований авторов заявляемого патента практически определяет эффективность огнетушащей порошковой композиции.
Образовавшийся порошок отделяют от парогазовой смеси. Для уменьшения отрицательного влияния на окружающую среду парогазовую смесь направляют в устройство для мокрой очистки водным раствором серной кислоты. Полученный после процесса мокрой очистки раствор нейтрализуют раствором аммиака до рН = 5 и добавляют к солевым растворам для изготовления других образцов огнетушащей порошковой композиции. Отделенный от парогазовой смеси порошок разделяют по размеру частиц на фракции. Отбирают фракцию 10 - 100 мкм, а более крупные фракции измельчают на вибромельнице до размера частиц от 0,1 до 5 мкм. Методами ситового и седиментационного анализов определяют дисперсность частиц, полученных после измельчения порошков. Смешивают различные фракции до получения порошка следующего гранулометрического состава в %: Фракция менее 5 мкм 50
Фракция 5 - 20 мкм, не более 10
Фракция 20 - 100 мкм 30
Фракция более 100 мкм, не более 10
В порошок добавляют в количестве 8 % от массы готового продукта опудривающую добавку (предварительно гомогенизированную смесь, состоящую из
0,2 кг тонко измолотого флогопита и 0,6 кг высокодисперсного гидрофобного диоксида кремния) и перемешивают. Была получена огнетушащая порошковая композиция, имевшая текучесть 44 г/с, а слеживаемость 0, 16- 105 Па.
ПРИМЕРЫ 2 - 5
Огнетушащий порошок изготавливали аналогично примеру 1 , за исключением того, что изменяли состав ингредиентов и параметры способа. В примерах 2 - 5 таблицы 1 приведен состав ингредиентов, а в примерах 1 - 5 таблицы 2 указаны параметры способа изготовления огнетушащего порошка.
Для сравнения и доказательства возможности достижения требуемого технического результата была изготовлена огнетушащая порошковая композиция по лучшему примеру прототипа (авторское свидетельство СССР JVs 1021041, МПК3 A62D 1/00, пример 2). Для этого в 6,5 л воды растворили 2,76 кг карбоната калия и 2,5 кг мочевины. В 3 л воды растворили 0,535 кг хлорида аммония. При постоянном перемешивании раствор хлорида аммония добавили в раствор, содержавший карбонат калия и мочевину. Полученный раствор диспергировали при помощи пневматической форсунки в лабораторной распылительной сушилке. Температуру на выходе из сушилки поддерживали в пределах 140 - 145 0C. Методом потенциометрического титрования с использованием рН-метра определили содержание карбоната и гидрокарбоната калия, не вступивших в реакцию. По данным о содержании карбоната и гидрокарбоната калия степень прохождения реакции составляла 97 %. От полученного порошка отделили фракцию с размером частиц менее 0,11 мм и смешали с 1 масс. % модифицированного аэросила AM-I- 300 в ленточном смесителе в течение 20 минут. Для полученной по прототипу огнетушащей порошковой композиции текучесть составляла 32 г/с, а слеживаемость - 0,52-105 Па.
Проведенные авторами экспериментальные испытания огнетушащих свойств порошковых композиций с разным гранулометрическим составом показали
ошибочность традиционных представлений о высокой огнетушащей эффективности фракции порошка, имеющего размер частиц 10 — 20 мкм. Огнетушащая способность порошка при гетерогенном механизме ингибирования им процессов горения должна практически определяться наличием в нем фракции с размером частиц менее 5 мкм. По результатам таких экспериментальных исследований авторы предложили принципиально новый подход к оптимизации гранулометрического состава огнетушащих порошков, огнегасительное действие которых осуществляется по гетерогенному механизму (без заметного разложения и растрескивания частиц). Для того, чтобы порошок был высокоэффективным во время тушения крупных очагов пожара, он должен содержать не менее 30 масс. % тонкой фракции с размером частиц менее 5 мкм до 70 % твердой фракции с размером частиц от 30 до ЮОмкм. Тогда по проникающей способности и дальности выброса из огнетушителя такой порошок будет близок к грубодисперсному, а по огнегасительной способности - к тонкодисперсному порошку. Грубая фракция при этом будет выполнять роль «нecyщeй» составляющей, обеспечивающей доставку тонкой огнегасительной фракции в глубину очага пожара.
В примерах 1 и 2, огнетушащий порошок состоит из двух основных фракций -
«oгнeтyшaщeй», с размером частиц менее 5 мкм, и «нecyщeй», с размером частиц 20
- 100 мкм, что обеспечивает «тpaнcпopтиpoвaниe» мелкой фракции в глубину очага пожара. Эти огнетушащие порошки имеют повышенную эффективность во время настильного тушения пожара.
Таблица 1
Состав композиции ингредиентов для получения огнетушащего порошка и свойства полученного огнетушащего порошка
Таблица 2 Параметры способа изготовления огнетушащего порошка
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Огнетушащая порошковая композиция может быть использована в различных областях промышленности, в том числе в химической промышленности для изготовления эффективных огнетушащих порошков. Повышение огнетушащей способности порошка во время тушения пожаров в закрытых объемах и флегматизация взрывоопасных парогазовых смесей достигается за счет использования в рецептуре порошка тонко измолотого активного компонента, состоящего в основном из фракций с размером частиц менее 20 мкм, ее содержание должно быть не менее 90 мае. %. Такие свойства проявляет огнетушащий порошок по примеру 5. Такая огнетушащая порошковая композиция также обеспечивает значительную флегматизацию взрывоопасных парогазовых смесей, например, метано-воздушных смесей, образующихся во многих угольных шахтах.
В примерах 3 и 4 таблицы 1 приведены данные порошковых композиций, которые можно использовать для тушения пожаров разных типов. Огнетушащую способность полученных порошков удалось довести до 2,4 м2/кг во время тушения модельного очага 233В (бензин A-76 площадью 7,1 м2) огнетушителем объемом 10 л. Благодаря уменьшению слеживаемости увеличивается срок хранения огнетушащей порошковой композиции.
Заявляемая огнетушащая порошковая композиция не требует использования дорогих ингредиентов и может быть изготовлена на стандартном оборудовании.