Kinetic approach when calculating parameters of fire-and-explosion hazard of gas mixes of methane with chlorine

Purpose. The computational method of indexes of fire-and-explosion hazard of gas mixtures a kinetics and the mechanism of chemical interaction which is based on a heat conduction equation and considering is considered. This method allows to define indicators of fire-and-explosion hazard of substances which can enter among themselves chemical reaction. That methods where for definition of indexes of fire-and-explosion hazard of substances use a structure of molecules do not allow and can be applied only to one homologous series. Methods. Calculation of indicators of fire-and-explosion hazard was carried out by means of the mathematical model of thermal ignition developed by authors in the environment of MATLAB. Researches were conducted for gas mixes of methane, chlormethane and dichloromethane with chlorine at ignition of these mixes heat and ultra-violet light, in a cylindrical vessel of long 0.04 m, with a diameter of 0.036 m. For creation of model the chemical kinetics of elementary reactions of these mixes is considered. Coefficients of heat conductivity and thermal capacity for initial composition of mix paid off, and during chemical transformations considered their change from temperature. Results of calculation were compared to experimental data. Findings. By means of model of thermal ignition for mixes of methane, chlormethane and dichloromethane with chlorine concentration limits of photoignition and critical intensity of ultra-violet light have been set. For chlormethane mix with chlorine the minimum phlegmatizing concentration of four-chloride carbon is defined, and for methane with chlorine spontaneous ignition temperature is calculated. Results of calculation of indicators of fire-and-explosion hazard for these mixes enough with a good accuracy coincide with experimental data. Conclusions. The model of thermal ignition which is based on the equation of heat conductivity and considering kinetics and the mechanism of chemical reaction authentically reflects a physical picture of ignition and gives the chance for chlorine mixes with methane and its chlorderivatives to estimate such parameters as: concentration limits of photoignition, critical intensity of UV-light, minimum phlegmatizing concentration and temperature of spontaneous ignition. This method has shown a possibility of calculation of indicators of fire-and-explosion hazard of gas substances for kinetic data on the mechanism of chemical interaction and to constants of speed of elementary reactions.

модель фотовоспламенения, хлорирование углеводородов, пожарная безопасность, пожаровзрывоопасность метана, пожаровзрывоопасность хлорметана, пожаровзрывоопасность дихлорметана, photoignition model, chlorination of hydrocarbons, fire safety, fire-and-explosion hazard of methane, fire-and-explosion hazard of chlormethane, fire-and-explosion hazard of dichlormethane

1. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч.-2-е изд., перераб. и доп.-М. : Пожнаука, 2004.-Ч. I.-713 с.; Ч. II. -774 с.

2. Корольченко А. Я. Расчет показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов. II. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности Пожаровзрывобезопасность Fire and Explosion Safety. -2003.-Т. 12, № 1. -С. 24-38.

3. Осипов А. Л., Трушина В. П., Павлик И. О. Моделирование концентрационных пределов на основе нейронных сетей International Journal of Advanced Studies [Международный журнал перспективных исследований]. - 2016. - Т. 6, № 2. - С. 67-78. DOI: 10.127312227-930X-2016-2-67-78.

4. Чуйков А. М., Сунцов Ю. К., Сорокина Ю. Н., Лукьяненко В. И., Шуткин А. Н. Температура вспышки и энергия Гельмгольца для веществ гомологических рядов н-алкилпропаноатов и н-алкилбутаноатов Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. -Т. 13, № 3. -С. 45-49.

5. Elkin I. Gutiйrrez Velбsquez, Christian J. R. Coronado, Juan C. Quintero Cartagena, JoгoA. Carvalho, Andrйs Z. Mendiburu, Josй C. Andrade, Ely V. Cortez, Josй C. Santos. Prediction of flammability limits for ethanol-air blends by the Kriging regression model and response surfaces Fuel. - 2017. - Vol. 210. -P. 410-424. DOI: 10.1016j.fuel.2017.08.089.

6. Keshavarz M. H., Jafari M., Kamalvand M., Karami A., Keshavarz Z., Zamani A., Rajaee S. A simple and reliable method for prediction of flash point of alcohols based on their elemental composition and structural parameters Process Safety and Environmental Protection.-2016.-Vol. 102.-P. 1-8. DOI: 10.1016j.psep.2016.01.018.

7. Mingqiang Wu, Gequn Shu, Rui Chen, Hua Tian, Xueying Wang, Yue Wang.Anew model based on adiabatic flame temperature for evaluation of the upper flammable limit of alkane-air-CO2 mixtures Journal of Hazardous Materials. -2018.-Vol. 344.-P. 450-457. DOI: 10.1016j.jhazmat.2017.10.030.

8. Zhao F., Rogers W. J., Mannan M. S. Calculated flame temperature (CFT) modeling of fuel mixture lower flammability limits Journal of Hazardous Materials. - 2010. - Vol. 174, Issue 1-3. - P. 416-423. DOI: 10.1016j.jhazmat.2009.09.069.

9. Keshavarz M. H., Jafari M., Esmaeilpour K., Samiee M. New and reliable model for prediction of autoignition temperature of organic compounds containing energetic groups Process Safety and Environmental Protection. -2018.-Vol. 113.-P. 491-497. DOI: 10.1016j.psep.2017.12.001.

10. Ngoc Lan Mai, Yoon-Mo Koo. Quantitative prediction of lipase reaction in ionic liquids by QSAR using COSMO-RS molecular descriptors Biochemical Engineering Journal. - 2014. - Vol. 87. - P. 33-40. DOI: 10.1016j.bej.2014.03.010.

11. Jiao L., Zhang X., Qin Y., Wang X., Li H. QSPR study on the flash point of organic binary mixtures by using electrotopological state index Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems.-2016.- Vol. 156.-P. 211-216. DOI: 10.1016j.chemolab.2016.05.023.

12. Zhao F., Rogers W. J., Mannan M. S. Experimental measurement and numerical analysis of binary hydrocarbon mixture flammability limits Process Safety and Environmental Protection.-2009.- Vol. 87, Issue 2. -P. 94-104. DOI: 10.1016j.psep.2008.06.003.

13. Беликов А. К., Никитин И. С., Бегишев И. Р. Воспламенение смесей хлорметана с хлором под действием ультрафиолетового излучения Пожаровзрывобезопасность Fire and Explosion Safety. -2010.-Т. 19, № 10. -С. 9-12.

14. Комраков П. В., Беликов А. К., Бегишев И. Р. Взрывобезопасные условия фотохлорирования дихлорметана в газовой фазе Химическая физика процессов горения и взрыва : материалы XII Симпозиума по горению и взрыву. - Черноголовка : Институт проблем химической физики РАН, 2000.-Т. 3. -С. 48-49.

15. Никитин И. С., Бегишев И. Р., Беликов А. К. Флегматизация четыреххлористым углеродом смесей хлорметана и хлора при их фотовоспламенении Пожаровзрывобезопасность Fire and Explosion Safety. -2015.-Т. 24, № 2. -С. 32-35.

16. Беликов А. К., Феофанов С. А., Бегишев И. Р. Влияние интенсивности УФ-излучения на фототепловое воспламенение газовых смесей метана с хлором Пожарная безопасность.-2005.- № 2. -С. 63-65.

17. Розловский А. И., Стеблев А. В., Фролов Ю. Е. Интегральное излучение пламени хлорсодержащих смесей Доклады Академии наук СССР. -1978. -Т. 241, № 3. -С. 631-634.

18. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики.-5-е изд., стереотип.-М. : Наука, 1977.-735 с.

19. А. с. 2016662831. Математическая модель фототеплового воспламенения Грохотов М. А., Беликов А. К., Комаров А. А., Бегишев И. Р.-№ 2016660589; заявл. 03.10.2016; опубл. 20.12.2016.

20. Тимофеев А. Ф., Мазанко А. Ф., Ягуд Б. Ю., Лапшин В. И., Aлександров А. И. Техника безопасности при хранении, транспортировании и применении хлора.-М. : Химия, 1990. -336 с.