顺式六氟丁烯高温热解特性与灭火效果研究

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2021年生效的《蒙特利尔议定书》基加利修正案限制了七氟丙烷(HFC-227ea)、六氟丙烷(HFC-236fa)与五氟乙烷(HFC-125)三种目前常用灭火剂的排放,开发新型低温室效应潜能值与零消耗臭氧潜能值灭火剂至关重要。氢氟烯烃满足新型灭火剂的环境要求,是一类值得研究的潜在环境友好型灭火剂。本文以顺式1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(HFO-1336mzz(Z))为研究对象,采用实验和理论计算方法研究了其热稳定性,灭火效果,灭火机理以及与其他环境友好型灭火剂协同灭火效果。主要研究内容如下:1、通过高温热解实验研究了 HFO-1336mzz(Z)的热解特性。在氮气与空气两种热解氛围下,通过热解实验得到HFO-1336mzz(Z)的初始热解温度与不同温度下的热解产物。随着热解温度升高,热解产物种类越复杂,热解产物的分子量也越大。研究特别关注了热解温度对HFO-1336mzz(Z)有毒副产物氟化氢(HF)生成含量的影响,当达到初始热解温度后其含量随温度升高而增多。首次通过热解实验研究了空气中氧气对HFO-1336mzz(Z)热解的影响,结果表明氧气会促进HFO-1336mzz(Z)热解。在空气氛围下,520℃的热解产物中检测到双键被氧化成含氧环,HFO-1336mzz(Z)的初始热解温度降低并且HF的生成量增多,形成更复杂的含氧环状化合物。2、基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算与基于ReaxFF(Reactive Force Field)力场分子动力学模拟方法进一步深入研究了 HFO-1336mzz(Z)高温热解机理。首先基于密度泛函理论计算了 HFO-1336mzz(Z)分子的键能,其中碳碳单键最容易断裂释放CF3自由基,在此基础上分别计算了 HFO-1336mzz(Z)与CF3、H、OH与F自由基发生碰撞反应能垒,结合氮气氛围下的热解实验得到的热解产物,揭示了 HFO-1336mzz(Z)热解的11条反应路径。其中有三条路径生成HF,H自由基与HFO-1336mzz(Z)发生碰撞产生HF的能垒仅为4.7 kJ·mol-1,是热解产生HF的主要路径。同理,结合空气氛围下的热解实验得到的氧化产物,通过密度泛函理论计算了氧气分子破坏HFO-1336mzz(Z)分子中碳碳双键所需的能垒为127.1 kJ·mol-1,从分子的角度揭示了 HFO-1336mzz(Z)分子的氧化路径。进一步研究了多分子体系中HFO-1336mzz(Z)热解生成含氟自由基分布与动力学参数,基于ReaxFF力场分子动力学模拟方法,在存在氧气分子的情况下,计算得到HFO-1336mzz(Z)热解表观活化能(Ea)约为191.9 kJ·mol-1,比在氮气氛围下 HFO-1336mzz(Z)活化能低约 100 kJ·mol-1。3、综合杯式燃烧器实验与受限空间灭火实验对HFO-1336mzz(Z)灭火效果进行了研究,并分析了其物理与化学灭火机理。首次测得了 HFO-1336mzz(Z)对正庚烷火的灭火浓度为7.20%(vol%)。在受限空间熄灭实体火实验中,研究了充装压力与火源位置对HFO-1336mzz(Z)灭火效果的影响,主要从灭火时间及生成氟化氢的含量两个方面综合分析了 HFO-1336mzz(Z)对正庚烷油池火以及木垛火熄灭作用。HFO-1336mzz(Z)熄灭火焰的时间均在10 s内,且产生HF含量的毒性均低于急性毒性浓度。综合实验结果与理论研究,总结了 HFO-1336mzz(Z)的物理与化学灭火机理,其具有较高的蒸发潜热与比热会与空气形成高热容量的气态混合物,与火焰作用时达到冷却灭火的物理灭火效果,并且在高温作用下产生含氟自由基抑制链式反应起到化学灭火作用。4、研究了 HFO-1336mzz(Z)与全氟三乙胺(N(CF2CF3)3)、2-溴-3,3,3-三氟丙烯(2-BTP)与全氟已酮(Novec 1230)混合灭火剂之间的协同灭火效果。首先在小尺度杯式燃烧器实验中,添加5%摩尔浓度的N(CF2CF3)3的混合灭火剂能够有效抑制HFO-1336mzz(Z)对正庚烷火的燃烧强化现象,且HFO-1336mzz(Z)与N(CF2CF3)3具有正协同灭火效果,理论分析得到N(CF2CF3)3能促进HFO-1336mzz(Z)热解并释放更多含氟自由基;在HFO-1336mzz(Z)中添加2-BTP灭火剂,混合灭火剂的灭火浓度有很明显的降低,当2-BTP的摩尔浓度达到10%时协同指数最小为0.89,当2-BTP的摩尔含量增加到20%时,混合灭火剂的灭火浓度降低到5.21%,2-BTP分子中的C-Br键能较低容易释放Br自由基与HFO-1336mzz(Z)释放的CF3自由基共同发挥灭火作用;将Novec 1230灭火剂添加到HFO-1336mzz(Z)中,混合灭火剂的灭火浓度变化幅度小,HFO-1336mzz(Z)与Novec 1230之间几乎不存在协同灭火效果。在以上小尺度灭火实验基础上,进一步开展了 HFO-1336mzz(Z)与N(CF2CF3)3、2-BTP混合灭火剂开放空间灭火实验,这两种混合灭火剂能有效扑灭油池火。开放空间灭火实验与理论分析结果保持一致,N(CF2CF3)3能有效降低混合灭火剂灭火过程中有毒产物HF的生成含量,而2-BTP能有效降低混合灭火剂的灭火浓度。
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