دانلود مقاله استفاده از هیدرات گازی دیاکسیدکربن به عنوان عامل خاموش کننده آتش

بخشی از مقاله

مقدمه

با توجه به کاربرد متفاوت خاموشکنندهها و از طرفی با توجه به متفاوت بودن کلاس مواد در حال احتراق، مواد اطفاء حریق نیز، متفاوت میباشند. پنج نوع ماده اطفاء حریق با کاربردهای متفاوت در خاموشکنندهها وجود دارد. خاموشکنندههای محتوی آب، دیاکسیدکربن، پودر، کف و ترکیبات هالوژنی. انواع آتش سوزیها نیز، شامل مورد زیر میگردد.

گروه :A آتش سوزیهای متداول از قبیل چوب، کاغذ، لاستیک، پلاستیک و غیره گروه :B مایعات اشتعال پذیر از قبیل نفت، گازوئیل، بنزین و غیره
گروه :C تجهیزات الکترونیکی

گروه :D فلزات اشتعال پذیر مگنزیم، سدیم، پتاسیم و لیتیوم

خاموشکنندههای آب و دی اکسیدکربن، بیشترین کاربرد را در خاموش کردن آتش دارند. آتش سوزی نوع A متداول-ترین نوع آتشسوزی بوده که در آنمعمولاً از آب و یا ترکیباتی از آب و مواد دیگر برای پایین آوردن دما و خاموشکردن آتش استفاده میگردد. استفاده از آب در انواع آتشسوزیهای دیگر به شدت خطرناک بوده و منجر به گسترش آن میگردد. در این گونه موارد استفاده از گاز دی اکسیدکربن توصیه میگردد .[2,1]

هیدراتهای گاز طبیعی جامدات یخیشکل، سرسخت و پایداری هستند که ابتدا در آزمایشگاه شناخته شدند، ولی بعد در یخزدگی لولههای انتقال نفت و گاز مشاهده شدند و با یافت شدن در طبیعت به عنوان ذخایر هیدراته مورد توجه قرار گرفتند. هیدراتهای گازی همواره به عنوان یک معضل در عملیات تولید مطرح بودهاند، اما امروزه چنین گمان میرود که پتانسیل عظیمی به عنوان منبع انرژی و نیز، به عنوان روشی برای انتقال گاز طبیعی در آینده، در خود پنهان کردهاند . [4,3]

هیدرات دی اکسیدکربن ماده برفیشکل و سفید رنگی است که در دمای کمتر از 283 کلوین و در بازه فشاری گسترده-ای میتواند وجود داشته باشد. این هیدرات به شکل ساختار sI کریستالیزه میشود که یک واحد سلولی آن متشکل از 46 مولکول آب و تا 8 مولکول دیاکسیدکربن بوده و دارای حفرات کوچک و بزرگ با نسبت 1:3 است .[5] هر چند شواهد آزمایشگاهی در مورد نوع sII در دمای نزدیک به نقطه ذوب یخ وجود دارد . [8-6]

خاموش کردن آتش با کمک هیدرات دی اکسیدکربن ترکیبی از دو روش خاموش کننده آب و گاز است که با حذف معایب این دو روش، مزیت های بهتر و گسترده تری نسبت به آن ها دارد.

-2 خاموش کننده های آبی:

خاموش کنندههای آب تحت فشار دستیمعمولاٌ دارای ظرفیت 9 لیتری یا بیشتر آب خالص می باشند و برای استفاده در آتش سوزیهای گروه A مورد استفاده قرار می گیرند . قدرت پرتاب این نوع خاموش کننده حداکثر 10متر تعیین گردیده است و علاوه بر این تبخیر آب قبل از رسیدن به مرکز آتش، اثر خاموش کنندگی آن را کم میکند .[2] همچنین در این سیستم خاموش کنندگی، تخریب اموال باقیمانده توسط آب پاش ها اجتناب ناپذیر است .[9] از این نوع خاموش کننده می توان بصورت متناوب استفاده نمود . مدت زمان تخلیه آن بصورت مداوم حدود 60 ثانیه می باشد. فشار مورد نیاز برای تخلیه از هوای فشرده شده در درون خاموش کننده تأمین می گردد. این نوع خاموش کننده در زمان شارژ کامل دارای 150PSI فشار میباشد و چون بدنه این نوع سیلندر تحت فشار مداوم قرار دارد باید مقاومتی برابر با 600PSI را دارا باشد.[2]

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران 25-26 اردیبهشت 1392، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

-3 خاموش کننده های گاز دی اکسید کربن:

گاز دی اکسیدکربن از گذشته دور تاکنون به عنوان یک گاز ضد حریق در دستگاههای ثابت اتوماتیک مورد استفاده قرار میگرفته است. این گاز غیر قابل اشتعال، بدون بو، خنثی، غیر سمی، باعث فساد نشده، هادی جریان الکتریسیته نبوده، وزن آن 1/5 برابر وزن هوا میباشد و به همین دلیل در موقع اطفاء به نحوی سطح آتش را پوشانده و جانشین اکسیژن میشود که در نتیجه آن، عمل اطفاء حریق به نحو احسن انجام میگردد. این گاز در سیلندر خاموش کننده، تحت فشاری در حدود psi 800-900 به صورت مایع در آمده و بدنه این نوع خاموش کننده باید قادر به تحمل فشاری معادل 7000 psi باشد. چون بدنه خاموش کننده می بایست فشار زیادی را متحمل شود، بنابراین آن را یک تکه و بدون درز و جوش میسازند. اگر جنس آن فولاد باشد وزن کلی آن افزایش مییابد؛ اما در صورتی که جنس آن از آلومینیوم باشدوزن، آن نسبتاً کمتر خواهد بود. انواع دستی این خاموش کننده با ظرفیتهای 1 تا 6 کیلوگرم ساخته میشود. در ظرفیتهای بیشتر به صورت چرخدار و یا دستگاههای ثابت اتوماتیک طراحی و مورد استفاده قرار میگیرد. به دلیل این که این گاز در محل مصرف هیچ اثری از خود به جای نمیگذارد؛ بیشتر در محلهای سر بسته و جهت اطفاء حریق کلاسهای B، C و D مورد استفاده قرار می گیرد .[2] اگرچه دیاکسیدکربن سمی نیست؛ اما وقتی به میزان زیاد در فضای بسته مورد استفاده قرار گیرد، میزان اکسیژن هوا را تقلیل داده و هر شخصی که در محل مذکور حضور داشته باشد، دچار کمبود اکسیژن شده و در نتیجه احساس خفگی به وی دست خواهد داد .[9] حداکثر پرتاب آن 2 متر میباشد و زمان تخلیه این خاموش کننده حداکثر 20 ثانیه گزارش شده است. در هر دو نوع کپسول آب و دی اکسیدکربن، بازدید ماهانه از وضعیت ظاهری و در صورت افت فشار، معمولاً دو بار در سال شارژ مجدد صورت میپذیرد .[2]

-4 خاموش کننده های هیدرات دی اکسیدکربن:

پیدا کردن روشها و مواد جایگزین ارزانتر و موثرتر برای خاموش کردن آتش امری ضروری و حیاتی است. هیدراتهای گازی ترکیبات کریستالی شبیه یخ میباشند که تحت دمای پایین 8) تا 15 درجه سانتی گراد) و فشار مناسب 60) تا 150 بار) تهیه می گردند. 1 متر مکعب هیدرات گازی قادر است 175 مترمکعب گاز را در خود ذخیره کند. خاصیت خودنگهدارندگی و گرمای نهان تبخیر بالا 1/7) برابر یخ) امکان انتقال آنها را تحت فشار اتمسفریک میسر میسازد. مزیت استفاده از هیدرات گاز دیاکسیدکربن، استفاده همزمان از دو ماده اصلی رایج در خاموش کردن آتش میباشد؛ آب و دیاکسیدکربن، ویژگی قابل توجه آن، گرمای نهان تبخیر بسیار بالا و در نتیجه امکان بیشتر جهت رسیدن به مرکز آتش میباشد. انتقال آن به صورت یک ماده جامد تحت فشار اتمسفریک و حذف هزینههای تهیه کپسولهای فشار بالا در این روش دیگر مزیت بزرگ آن نسبت به کپسولهای حمل آب و گاز دی اکسیدکربن میباشد و تنها نیازمند محیطی سرد جهت نگهداری تجهیزات آتش نشانی می-باشد .[9]

بزرگترین مزیت استفاده از هیدرات گازی دیاکسیدکربن، مخصوصاً به شکل گلولههای جامد هم اندازه، به کار بردن حداقل مواد ممکن جهت خاموش کردن آتش میباشد. استفاده از گاز دیاکسیدکربن در آتش سوزیهای رخ داده در اماکن مسکونی منجر به خفگی مصدومان و پرسنل آتشنشانی شده و استفاده از آب در اماکن مسکونی و جنگلها نیز، منجر به تخریب اموال باقیمانده میشود؛ در حالی که در هیدراتهای گازی مقدار گاز آزاد شده کمتر از حد مجاز بوده و آب باقیمانده پس از تجزیه تبخیر میگردد .[9]

استفاده از هیدرات گاز دی اکسیدکربن

هیدرات کاملاً مقاوم به دما است و تجزیه آن توسط آتش در مدت زمان بیشتری انجام میشود. همچنین، به علت پایین آوردن دما احتمال آتش سوزی دوباره برخلاف استفاده از آب بسیار پایین است. هنگام استفاده از آب مقدار زیادی از آن در زیر مواد مشتعل قرار گرفته و عملاً خاصیت خاموش کردن آتش را از دست می دهد؛ ولی کریستالهای جامد هیدرات تا پایان
آتشسوزی بر روی مواد مشتعل قرار میگیرند و خاصیت خاموش کنندگی خود را حفظ می کنند .[9]

-5 نحوه تشکیل و پایداری هیدرات دی اکسیدکربن

هیدراتهای گاز طبیعی، جامدهای کریستالی متشکل از آب و گاز هستند؛ ترکیبات غیر استوکیومتری که از مولکولهای گاز و آب به وجود میآیند. مولکولهای گاز (مهمان) در مولکولهای آب (میزبان) با برقرار کردن پیوند هیدروژنی با میزبان به دام میافتند. این ترکیبات وقتی تشکیل میشوند که دو جزء در دمای پایین و فشار بالا با هم تماس پیدا کنند. عمده مولکول-های گاز طبیعی که هیدرات تشکیل میدهند متان، اتان، پروپان و دیاکسیدکربن میباشند 4]، .[6

هیدراتهای گاز در ظاهر، شبیه به ترکیبات شیمیایی هستند، چرا که در یک دما و فشار معین ترکیب ثابتی دارند، اما در واقع هیدراتها ترکیباتی از نوع »مولکولی« هستند که در نتیجه ایجاد پیوندهای هیدروژنی بین مولکولهای آب، تشکیل حفرهها و سپس پایداری این حفرهها به کمک نیروهای »واندروالس« بین مولکولهای آب و گاز به وجود میآیند.

مهمترین سؤالات مطرح شده در مورد هیدراتها به چگونگی تشکیل، تجزیه و ممانعت از تشکیل آنها مربوط میشود که فرآیندهایی وابسته به زمان هستند و از آنجا که تعیین کم و کیف فرآیندهای وابسته به زمان مشکل است، یک تقسیمبندی آزمایشگاهی برای این فرآیندها ارائه شده است:

1. هستهزایی که یک پدیده تصادفی است.

2. رشد هیدرات، که با محدودیتهای سینتیکی، انتقال جرم و انتقال حرارت کنترل میشود.

3.تجزیه و از هم گسستن، که معمولاً با انتقال حرارت کنترل میشود و در آن قالبها یا هستههای هیدرات به صورت شعاعی تجزیه میشوند 4]، .[6

در شکل 1 نمونهای از هستهزایی و رشد هیدرات به صورت تجمع گاز بر حسب زمان، برای یک سیستم همزن-دار که در فشار و دمای ثابت کار میکند، نشان داده شده است:

شکل :1 تجمع گاز بر حسب زمان برای تشکیل هیدرات [11]

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران 25-26 اردیبهشت 1392، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

زمان القا (یا زمان تأخیر یا هستهزایی) مدت زمانی است که طول میکشد تا هستههای کریستالی که غیر قابل مشاهده و تشخیص ماکروسکوپیک هستند، شکل یابند. در عمل این مدت زمان را برابر با زمان سپری شده برای ظاهر شدن حجم مشخصی از فاز هیدرات تعریف میکنند. طی گذشت این زمان، دما و فشار در ناحیه پایداری هیدرات هستند، ولی به دلیل خاصیت فراپایداری، هیدرات تشکیل نمیشود. رشد هیدرات نیز، زمانی است که بزرگشدن هیدرات در آن به سرعت اتفاق میافتد. طی این مدت گاز در حفرات هیدرات متمرکز میشود. سرانجام وقتی که عمده آب با رشد هیدرات تبدیل شد، شیب نمودار با زمان کاهش خواهد یافت 4]، .[6

هستهزایی هیدرات فرآیندی است که طی آن خوشههای کوچک آب و گاز (هستههای هیدرات) رشد کرده و پخش می-شوند تا به اندازه بحرانی برای رشد هیدرات برسند. این مرحله یک پدیده میکروسکوپیک است که شامل دهها هزار مولکول بوده و مشاهده آزمایشگاهی آن مشکل است. شواهد آزمایشگاهی نشان میدهد که هستهزایی یک فرآیند آمار و احتمالی است. این مرحله را میتوان با انحلالپذیری گازهای طبیعی در آب بیشتر توصیف کرد. انحلالپذیری گازهای غیرقطبی در آب مایع، چه در فشارهای بالا و چه فشار پایین نقطه تشکیل هیدرات، خیلی کم است 4]، .[6

مقادیر انحلالپذیری، همچنین آنتالپی، آنتروپی و ظرفیت گرمایی انحلال در رقت بینهایت گاز دی اکسیدکربن در دمای 298 K در جدول 1 آورده شده است.

جدول :1 خواص انحلالی گاز دی اکسیدکربن در آب در .[10] 298OC

&p - 6 soln - +soln Solubility Component
kJ/(K.mol) J/(K.mol) KJ/mol 105x2

34 65/2 19/43 60/8 Carbon dioxide

معمولاً هیدراتها به صورت یک فیلم کریستالی نازک متخلخل در سطح تماس بین فاز آبی و فاز هیدروکربنی (گاز یا مایع) شکل مییابند (شکل .(2

شکل :2 شماتیک مکانیزم پیشنهادی تشکیل هیدرات از یک قطره آب؛ مرحله:1 گسترش یک فیلم نازک متخلخل هیدرات پیرامون یک قطره آب، مرحله:2 توسعه هیدرات، مرحله:3 تبدیل توده به هیدرات .[12]

-6 خودنگهدارنگی هیدرات گازی:

خودنگهدارندگی پدیدهای است که در آن هیدرات میتواند برای زمانهای طولانی در ناحیه خارج از پایداری خود، پایدار باقی بماند. این پدیده یک پدیده غیرعادی است و تنها گازهای محدودی هستند که چنین رفتاری را از خود نشان میدهند. خودنگهدارندگی غیرمتعارف توسط محققان زیادی مشاهده شده است 3]، .[4 توانایی افزایش و طولانی کردن پایداری در

استفاده از هیدرات گاز دی اکسیدکربن

هیدراتهای گازی برای ذخیرهسازی گاز و استفاده از آن به عنوان خاموش کنندهها مورد توجه است. ناحیه خودنگهدارندگی غیرمتعارف برای افت فشار سریع به 0/1 MPa در بازهی دمایی 242-272 کلوین مشاهده شده است. قبل از این حالت، یک تجزیه فازی کوتاه و سریع با آزاد شدن 5-20%vol. از کل دیاکسید کربن sI در نمونه هیدرات اتفاق میافتد. طی آزاد شدن گاز، سرمایش آدیاباتیک همراه با جذب حرارتی رخ میدهد. بعد از تجزیه فازی، هیدرات به صورت "خودنگهداشته و فراپایدار"، بسته به دمای تجزیه آن، برای مدت بیش از 2-3 هفته باقی میماند .[10]

در شکل 3 نمودار فازی و ناحیه پایداری هیدرات دیاکسیدکربن نشان داده شده است. حداقل فشار لازم برای یک فاز پایدار هیدرات، با افزایش دما افزایش مییابد.

شکل :3 دیاگرام دما-فشار هیدرات CO2، ناحیه سمت چپ نمایانگر پایداری هیدرات .[13] CO2

-7 روش آزمایشگاهی:

مواد مورد نیاز برای تولید و نگهداری هیدرات جهت خاموش کردن آتش: (1 رآکتور تشکیل هیدرات

(2 اتاق سرد جهت نگهداری هیدرات (صفر تا ماکزیمم -15 درجه سانتی گراد) (3 ماشین خردکننده و پودر کننده
(4 ماشین تهیه قرص و گلوله هیدرات (تبدیل کننده پودر هیدرات به قرص های هم اندازه) [9]