CN114514215A - 智能防爆材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有高防爆和减少的汽化的材料，其是铝合金、纳米活性炭或纳米石墨烯以及多种其它金属元素，呈工程化网状物(圆柱形式‑内护套)的形式，其占油、其衍生物和气体内容物的内部体积的2％。该材料具有高吸收率和高吸附率，抑制气体颗粒和烟雾的运动，提高闪点35％，提高着火温度40％并减少蒸发70％，从而防止油、其衍生物和气体在暴露(火灾、碰撞、静电、高热、被射弹撞击)时的爆炸。单独地，将聚合物聚丙烯酸钠添加到原油中，以改进其性质并保护其免受爆炸。
Description
技术领域
用于石油衍生物的智能防爆材料
现有技术
-存在许多通常用于灭火的常见阻燃材料，例如水、泡沫、干化学品、干粉、二氧化碳和卤化烷。然而，这些材料不防止原油或其衍生物的蒸发和爆炸，因为它们仅阻止和熄灭火。
-还发现了日期为2013年12月3日的名称为使用模制聚合物内衬、复合纺织和自密封材料的防爆和防弹燃料罐的发明US20150151630A1。
-还发现了日期为2010年8月5日的名称为防腐型阻燃防爆材料及防爆填料的制作安装方法的发明CN102344025B。该发明涉及制造和填充防爆填料，其由以不同比例的铁、铜、镁、钛、锌、铬、锰、铝、硅、镍和锆的多种合金，以蜂巢状多孔结构的形式形成。
-在原油的加工、生产和精炼的过程中，原油经受许多复杂的加工方法以将其与水、杂质和盐分离。其最重要的方法是使用疏水性破乳剂，所述疏水性破乳剂具有许多问题，其中之一成本高、浪费了时间并蒸发了一部分石油。
现有技术中的问题和不足
-常见的阻燃材料中的缺陷和问题是它们不防止石油和气体衍生物的蒸发和爆炸，而仅阻止和熄灭火，这导致巨大的经济和人员损失以及大量石油和气体衍生物的损失。
-当原油衍生物或气体的容器暴露于火灾、处理、运输、存储、维护、碰撞或闪电时，缺陷和问题之一是缺乏安全性和保护措施。
-US20150151630A1的发明中的缺陷和问题之一是，除了以下事实之外，在应用中存在困难：制造罐结构的方法复杂、使用受限并且昂贵，因为其用于仅具有非金属内衬的新罐的制造和设计中，其为由芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、石英纤维、陶瓷纤维、聚苯并
唑纤维、硼纤维、玄武岩纤维和三维添加剂模制的燃料罐。用于燃料罐的这种设计是有限使用的，除了在一些军事问题中，因为它被设计成抵抗弹道导弹。
-CN102344025B的发明中的缺陷和问题之一是使用含稀土金属和贵金属的防腐和阻燃材料，这导致制造和应用的困难。另外，它包含具有高密度的一些元素，其占据罐的内部容积的大空间。
-缺陷和问题之一是，不可能在填充有石油及其衍生物的箱和罐中执行程序和进行维护和焊接工作，以及当它们是空的时，因为它可以使石油及其衍生物暴露而自燃。
-精炼原油中的缺陷和问题之一是，使用非常大量的化学品来处理乳液，称为疏水性破乳剂，其缺陷是：
1-消耗大量破乳剂
2-大量的轻质部分石油和气体的损失
3-使用大量罐的必要性
4-用磺胺盐污染消耗的工业水
5-高成本
6-由于它们的废物所引起的环境污染
7-获得符合国际标准的石油产品的困难。
详细说明
本发明主题的新颖性
在研究和调查纳米活性炭和纳米石墨烯之后，有以下发现：
1-纳米活性炭具有吸收和吸附现象，在很大程度上取决于表面积和孔的尺寸。多孔结构确定可以被吸收的颗粒的尺寸，并且表面积确定可以被吸附的材料的量，假设分子尺寸是合适的。比表面积的范围为300-2500m2/g。被活性炭吸收的物质的量惊人地大，因为它通常在蒸气和气体的四分之一到其全部重量的范围内。此外，纳米活性炭广泛用于控制蒸气和气体。因此，由于其在气体和蒸气的吸收和吸附中的独特性质，它被添加到智能防爆材料的主要铝合金中。
2-纳米石墨烯物质的特征在于吸收和吸附的独特且优异的化学和物理性质、大的表面积和合理的价格。因此，它被添加到智能防爆材料的主要铝合金中。
3-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)吸收其体积的250-300倍的水(根据液压和流体理论，当暴露于火时，1升水的蒸发度增加1700倍其体积，这导致原油含量的爆炸)。因此，在提取、精炼和生产原油中其用于处理在提取原油时与原油混合的水的量。因此，聚丙烯酸钠具有优异的容量，以将原油的性能改进99％，因为其除去原油中的水，使其少于0.01％至0.02％。因此，原油变得高度有效，这在全球市场中是需要的。除此以外，保护石油设施免于爆炸风险。
其性质使得国际石油公司避免使用大量昂贵的化学品，这些化学品有助于除去与原油(乳液)混合的一些数量的水以及避免环境污染。
因此，纳米活性炭或纳米石墨烯增加结构刚性，成形和应用的灵活性，以及低密度和受天气因素、冲击、振动、湿度和化学反应最低影响的元素。而且，超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)吸收其体积的250∶300倍的水，因此，基于与现有技术相比在以高效率防止蒸发和爆炸方面改进形式、内容和性能，并且增加在许多其它领域中的许多应用，认为这是相对于现有技术而言的新颖和创新的添加。在以下这导致避免缺陷：
1-根据实验室测试，智能防爆材料提高了闪点35％和着火40％。
2-智能防爆材料的体积占石油衍生物罐的含量的(2％)。
3-智能防爆材料的密度测试证明其具有低密度＝2.48g/cm3。
国家标准协会的实验室和现场测试结果显示出非常好的抗爆炸行为，并且它被认为是一种防爆材料。
4-作用机制源自于吸收和消散热量和所产生的蒸气，这导致防止爆炸和延迟着火。
5-智能防爆材料抑制气体颗粒的运动速度，并且因此降低了容器内壁上的压力。这是防止爆炸的因素之一。
-材料元素的组分及其形成防止在其运输期间石油液体在罐内的碰撞，因为它们防止形成静电电荷，这是着火和爆炸的因素之一。
-智能防爆材料的几何形状和其在规则结构中与气体和蒸气分子的随机运动一致的随机分布的效率抑制了爆炸。
-易于应用和保护新和旧的罐和箱而没有任何改变。
-智能防爆材料也被应用于丁烷气瓶中，无论是用于家用、工业或任何其它目的。
-由智能防爆材料制成的内护套被应用于新的设计和一些旧的设计。
-增加轮胎的效率并增加其寿命和材料在散热方面的高能力。
-由于静电的消失，制造在纺织工业中使用的线轴。
-防止在不同微波频率下的电磁波。
-吸收军事雷达的电磁波。
-隔离移动设备的电磁波。
-隔离在医院的手术室、军事操作等中的电磁波。
-沥青混合物工业。
-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)在吸收来自原油的水中具有独特的性质，从而有助于防止火灾时的爆炸。
-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)通过提高其水的纯度约99.9来改进原油的性质。
-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)减少了昂贵且大量的乳化化学品的使用。
-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)易于施用，并且与替代材料相比，其具有低成本。
-由通过聚丙烯酸钠乳化原油所产生的残留物用于施肥和栽培土地以及与沙化斗争，这具有巨大的经济益处。
详细描述
1-本发明材料的组分：
智能防爆材料由纯度(99％)的铝合金、比率为2％的纳米活性炭或比率为1.5％的纳米石墨烯、比率为2％的高纯度硅、比率为0.5％的镁和比率为0.25％的铬组成。
以六维中空网状片材的形状成形智能防爆材料，其厚度为0.25mm至0.50mm。
智能防爆材料是根据包含石油、其衍生物或气体的容器(箱和罐)的形状成形的，其中容器的内壁用内衬形状的智能防爆材料衬里，并且根据测量结果来计算其尺寸。此外，智能防爆材料以不同几何形状的形式被放置在待保护免于爆炸的石油内容物内部，其中一种几何形状是圆柱形状，圆柱的尺寸是2cm至4cm的长度，内径是从0.6cm到1cm，并且用于网状片材的六边形孔尺寸是从0.6mm到1.5mm。如果需要，尺寸可以根据使用和应用的属性而变化。(如图中所示，图1)
穿过包含待保护而免于蒸发、爆炸和着火的石油材料的罐、管或箱的喷嘴放置智能防爆材料，而没有触摸容器的设计，箱、罐或气体管的内部或外部形状都不。
智能防爆材料占据石油、其衍生物或气体的内部体积的2％。
2-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)吸收其体积的250至300倍的水。
工作机制
1-智能防爆材料
为了发生着火，有必要具有着火源和燃料与空气(氧气)的混合物。爆炸作为化学反应的结果而发生，该化学反应是由于吸收能量的过程而形成的，即它们是吸热化合物。
当可燃性和相互作用的材料(石油衍生物)被分解时，该能量升高。如果分解过程伴随有大量气体，这些气体因分解所产生的热而膨胀，则它们可由于所形成的气体的压力而执行机械功。如果分解处于大于300m/sec的速度，则在由机器进行的内燃之前，该过程被称为燃烧，并且如果分解比所述速率快，则称为爆炸。石油衍生物被认为是非常易燃的材料和着火起动器，并且它们在被撞击、加热或点燃时很容易爆炸。
通过进行实验室实验显示了在恒定体积下气体的压力与其温度成正比。如果温度升高，则体积与给予气体的热量成正比。在冷却的情况下，根据一般气体定律，其与温度的降低成比例。因此，给予气体的热能增加分子的运动速度，并且清楚的是，分子的运动速度确定它们与气体容器的壁碰撞的力的程度，并且因此当气体的温度增加时容器壁上的压力增加。当将智能防爆和抗蒸发材料以其形状和重量添加到例如包含原油或其衍生物(汽油、煤油、柴油、天然气或油)的罐中时，暴露于由火灾、碰撞、由维护实践产生的摩擦或焊接导致的直接或间接热时。以及以几何形状或圆柱形状或内衬的形式成形智能防爆和抗蒸发材料也是高效的，当由于包含石油材料的罐暴露于直接火情条件而产生气体时，气体分子以直线随机运动，其中气体分子可以被感知为完全柔性的小球，并且气体的分子之间的距离相对大，并且气体的内聚力非常弱，并且然后，由热的作用所产生的气体和蒸气随机地运动并且彼此碰撞并且与内部罐壁碰撞。气体分子与智能防爆和抗蒸发材料的化合物之间的碰撞构成弹性碰撞，这意味着气体分子的动能在碰撞之前和之后是恒定的，根据陈述对于每个作用存在相等且相反的反应的定律。
通过实验室实验表明，智能防爆和抗蒸发材料能够吸收和吸附所产生的气体，并且还同时工作以减少与根据三种气体定律给出的热的量成正比的物质分子的运动。
Boyle定律：在恒定温度下，压力与体积成反比。
Charles定律：在恒定压力下，体积与温度成正比。
Gay-Lussasc定律：如果将固定质量和固定体积的气体放置在密封容器中，则压力与气体的绝对温度成正比。
实验：进行7个实验室和现场实验(由阿拉伯埃及共和国的科学研究部的国家标准协会委托消防和爆炸部)进行了7个实验室和现场实验，以检查智能防爆和抗蒸发材料的性质。使用含有石油液体(汽油-煤油-柴油-丁烷气体)的罐或管进行实验，并向其添加智能防爆和抗蒸发材料。
使用家用丁烷气瓶、包含汽油的罐、以及包含柴油的罐进行现场实验(在阿拉伯埃及共和国科学研究部的国家标准协会的消防和爆炸部的监督下)。
1号实验
强烈地且连续地点火55分钟，连接到设置有圆柱形式的本发明材料的丁烷气瓶。
2号实验
强烈地且连续地点火30分钟，在设置有圆柱形式的本发明材料的开放喷嘴汽油罐上。
3号实验
强烈地且连续地点火30分钟，在设置有衬里内衬的本发明材料的开放喷嘴汽油罐处。
4号实验
强烈地且连续地点火30分钟，在设置有圆柱形式的本发明材料的开放喷嘴柴油罐处。
5号实验
强烈地且连续地点火30分钟，在设置有圆柱形式的本发明材料的密封喷嘴汽油罐处。
6号实验
在设置有圆柱形式的本发明材料的密封喷嘴汽油罐处发射火弹。
7号实验
通过焊接两个罐(柴油和汽油)来进行维护，其中一个罐设置有有圆柱形状的本发明材料，另一个设置有内衬的本发明材料，并且值得注意的是其从未发生，并且先前在石油领域中是不合理的是：在石油罐中进行焊接工作，或者试图改变腐蚀的片，例如，在不完全清空罐或将其停用并且用氮气代替石油蒸气的情况下。然而，在该实验中，这些安全预防措施中没有一个发生，这是由于在其上发射喷射器之前在罐内存在本发明的材料。焊接工作在罐内存在一定量的汽油(高蒸发)的情况下完全安全进行，并且这是这样的焊接可以在汽油或石油罐中进行而不清空其的唯一时间，知道焊接温度可以达到大约3000摄氏度，并且这在不存在本发明的材料(智能防爆材料)的情况下是不可能发生的。
获得以下结果：-
1-根据实验室测试，智能防爆材料提高了闪点比率35％和着火40％。
2-国家标准协会的实验室和现场测试结果显示出非常好的耐爆炸行为，并且它被认为是一种防爆材料。
3-作用机制源自于吸收和消散热和所产生的蒸气，这导致防止爆炸和延迟着火。
4-其抑制气体颗粒的运动速度，并且因此降低了容器内壁上的压力，这是防止爆炸的因素之一。
5-因此，智能防爆材料的几何形状和在规则结构中与气体和蒸气分子的随机运动一致的随机分布的效率，抑制了蒸发和爆炸。
*本发明的智能防爆材料的特征在于以下：-
1-它将含有石油衍生物的容器、罐、箱的蒸发速率降低了高达70％，这将由罐内的石油液体的蒸气产生的压力降低到最低的可能值。
2-由于减少蒸发，其保持存储在罐和箱中的相同量的石油产品而没有显著损失。
3-它隔离氧的吸收，因此：
·它防止自燃。
·如果暴露于火灾、摩擦、高热或由射弹击中，则它防止含有石油衍生物的罐和箱的爆炸。
4-该材料允许在罐和箱中进行维护工作而没有丝毫风险，并且达到对用石油液体填充的这些罐进行焊接工作而无需清空它们的程度。
5-智能防爆材料从不与石油衍生物在不同温度下反应，并且不会导致任何化学反应。
6-使用智能防爆材料化合物的方法防止石油液体在运动期间在罐内碰撞，这在其运输期间提供安全系数。
智能防爆材料被认为是在保护石油行业、其衍生物的领域和基于它们的其他领域中的革命，无论是：运输-存储-处理-维护。
1-超吸收性聚合物(聚丙烯酸钠)
当提取原油时，其通过由设置有材料即超吸收性聚合物的多个精炼厂，以提取过量的水，这是由于其吸收其体积300倍的水的能力，并且因此将原油的性质改进99.9％。
超吸收性聚合物的特征在于以下：-
-它在吸收来自原油的水中具有独特的性质，根据液压和流体理论在燃烧时其有助于防止爆炸，其中当蒸发时，1升水增加了1700倍的其体积，并且因此导致石油设施的爆炸和破坏的风险。
-其通过提高其水纯度99.9％来改进原油的性质。
-它减少了大量且昂贵的化学品的使用。
-与替代材料相比，它容易施加且便宜。
化学品对本发明的材料的影响
类别(A)的化学品对这些化学品在正常温度下并且在不存在复杂因素(例如这些化学品中的腐蚀性杂质或由两种类似金属的接触产生的电流效应)的情况下具有危险(本发明的材料)影响。
类别(B)的化学品，铝应当仅在这些条件下进行实验和验证之后使用。
类(X)的化学品(本发明的材料)可以偶尔使用，除非在使用时存在特殊条件，即使在这种情况下，它也必须被测试。无论何时使用铝被推荐(A)或可允许(B)，推荐明确地指代浓缩化学品(100％)，除非另有说明。并且当推荐不使用(本发明的材料)(X)时，推荐包括在任何浓度下的化学品。(如附录的表2所示)
利用方式
1-智能防爆材料被用于含有原油或石油衍生物(汽油、煤油、柴油、液化丁烷气体)的容器、罐或箱内。
2-智能防爆材料用于保护(运输-存储-处理)原油和所有石油衍生物。
3-智能防爆材料用于进行包含原油或石油衍生物(汽油、煤油、柴油、液化丁烷气体)的所有容器、罐或箱的维护程序和实践。其用于所有不同的燃料提供动力的运输装置(地面、海洋或空中，例如摩托车-所有种类的汽车-火车-飞机)的工业中，以保护免受爆炸的危险。
4-其用于运输所有种类的燃料、油和原油，无论是陆地、空中、海上运输和铁路。
5-智能防爆材料用于丁烷气瓶，无论是用于家用、工业或任何其它目的。
6-智能防爆材料用于发电厂和发电机中。
7-智能防爆材料用于汽车加燃料站-飞机-船的燃料罐中。
8-智能防爆材料可以用于橡胶轮胎工业中，由于减少摩擦和高冷却能力，这导致提高它们的效率并且增加寿命。
9-智能防爆材料可以用于制造在纺织工业中使用的线轴。
10-智能防爆材料可以用于制造在不同的微波频率下的电磁波屏蔽。
11-智能防爆材料可以用于吸收用于军事雷达的电磁波。
12-智能防爆材料可以用作用于移动电话的电磁波的隔离体。
13-智能防爆材料可以用作医院的手术室、军事操作等中的电磁波的隔离体。
14-智能防爆材料可以用于沥青混合物工业中。
15-超吸收性聚合物可以用于改进原油的性质并将过量的水提取99％。
16-超吸收性聚合物可以用于原油的提取和生产中，并且当暴露于火时它吸收水蒸气，从而防止爆炸。
附图简要说明
图1：示出中空多边形网状形式的智能防爆材料的圆柱形状，其尺寸为2cm至4cm的长度，内径为0.6cm至1cm，并且网状片材的六边形孔尺寸为0.6mm至1.5mm。
图2：示出气瓶的水平投影(透视)
图3：示出气瓶的竖直投影(透视)
图4：示出气瓶的横向投影(透视)。
附录
图5(罐内的圆柱形状)
图6(罐和家用丁烷气瓶内的内衬的形状)
表(1)，示出了材料的结构：
表(2)，显示化学品对本发明材料的影响
无机试剂
Claims (4)
1.以网状片材和几何形状的形式的智能防爆材料，其中用内衬形式的壁来衬里，其尺寸根据测量结果来测量，其由铝合金-纳米活性炭或纳米石墨烯-高纯度硅-镁和铬-聚丙烯酸钠组成。
2.根据权利要求1所述的智能防爆材料，其中所述智能防爆材料以六边形中空网状片材的形式成形，其厚度为从0.25mm至0.50mm。
3.根据权利要求1所述的智能防爆材料，其中所述智能防爆材料由纯度(99％)的铝合金-按比率2％的纳米活性炭或按比率1.5％的纳米石墨烯-按比率2％的高纯度硅-按比率0.5％的镁-和按比率0.25％的铬、以及单独存在的聚丙烯酸钠组成。
4.根据权利要求1所述的智能防爆材料，所述几何形状表示以下尺寸的圆柱形状：2cm至4cm的长度，内径为0.6cm至1cm，并且网状片材的六边形孔尺寸为从0.6mm至1.5mm。
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