КОМПЬЮТЕРНАЯ ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ АЛКАНОВ
Авторы: Жукова
А.Ю.
Научные
руководители: Губенко М.А., Важев В.В.
Костанайский государственный педагогический
институт
Информация о пожароопасных
и взрывоопасных свойствах веществ является основой инженерных методов
обеспечения безопасности зданий и сооружений, технологических процессов и
оборудования, а также безопасности людей. Эти данные необходимы для разработки
мер предотвращения возникновения пожаров и взрывов, а также для оценки условий
их развития и подавления. Пожароопасные и взрывоопасные вещества участвуют в
процессах, проходящих в химической, нефтехимической, газовой,
деревообрабатывающей и других отраслях промышленности, на транспорте, в
строительстве, т.е. практически во всех сферах деятельности человека. Одним из
наиболее важных пожароопасных и взрывоопасных свойств веществ является
температура вспышки [1]. Температура вспышки (flash point) - наименьшая
температура, при которой пары над поверхностью горючего вещества вспыхивают при
контакте с открытым источником огня. Значение температуры вспышки применяют при
классификации паров горючих жидкостей по группам пожароопасности и
взрывоопасности; определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной
опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования;
выборе типа электрооборудования; определении температурных границ безопасного
применения веществ при их нагреве до высоких температур; при разработке
мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и взрывобезопасности в
соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010; при расследовании
причин пожаров [2,3].
Увеличение отраслей
промышленности, связанных с переработкой горючих веществ и материалов,
сопровождается возрастанием числа пожаров и взрывов, повышением тяжести их
последствий. Одновременно возрастает объем исследований опасных свойств веществ
[4].
Возрастание масштабов
исследований взрывоопасности веществ протекает вместе с усовершенствованием методов
испытаний. Экспериментальное определение температуры вспышки требует: во-первых
– сложного технического оборудования, во-вторых – огромных финансовых затрат.
Кроме того, на точность экспериментального определения температуры вспышки
оказывают влияние множество факторов: атмосферное давление и влажность воздуха,
чистота образца и др. Это в значительной мере подталкивает к развитию новых
методов оценки этой величины, в том числе и расчетных.
Наиболее достоверная
информация о температурах вспышки веществ имеется у фирм – производителей
химических реактивов, из которых можно выделить такие как Sigma-Aldrich, Fisher Chemicals, Merck, ABCR, Acros Organics и другие. Сводная информация сосредоточена
на серверах, содержащих листы безопасности MSDS (MATERIAL SAFETY DATA SHEET) от различных фирм [5-8].
В разных источниках
температуры вспышки для одного и того же вещества различаются на десятки
градусов, даже для давно изученных соединений. В последние годы особое внимание
уделяется развитию расчетных методов определения различных свойств веществ,
которые позволяют обойти экспериментальные проблемы. Наиболее признанным
является метод QSPR (Quantitative Structure-
Property Relationships), связывающий дескрипторы молекулярной структуры со свойствами
химического соединения. Работ, посвященных исследованиям корреляций температур
вспышки, имеется немного [9-11].
Нами было выполнено
моделирование температуры вспышки алканов с использованием дескрипторов,
генерируемых программой Dragon. Всего Dragon предлагает 3224 молекулярных дескрипторов, которые разделены на 22 логических блока: constitutional
descriptors (48), topological descriptors (119), walk and path counts (47),
connectivity indices (33), information indices (47), 2D autocorrelations (96),
edge adjacency indices (107), Burden eigenvalue descriptors (64), topological
charge indices (21), и другие.
Для моделирования
нами было отобрано 79 веществ, из которых 14 входили в тренировочную выборку,
остальные 65 – в контрольную.
Из множества
дескрипторов, генерируемых программой Dragon, были избраны индексы связности
(connectivity indices).
На рисунке 1 показан график, полученный по результатам
тренировочной выборки.
Рисунок 1- Корреляционная зависимость между
экспериментальными и вычисленными значениями температуры вспышки (тренировочная
выборка)
На рисунке 2 представлен график, полученный по
результатам контрольной выборки.
Рисунок 2 – Корреляционная зависимость между
экспериментальными и вычисленными значениями температуры вспышки (контрольная
выборка)
Рисунке 1 и 2 свидетельствуют о том, что наши расчетные
данные близки по значению к экспериментальным, величины которых были взяты из
справочников.
Экспериментальные значения мы брали из следующих источников: NIST Chemistry WebBook [12], Yaws C.L. Yaws'
Handbook of Thermodynamic and Physical Properties of Chemical Compounds [13].
Статистические показатели соответствующих
корреляционных зависимостей приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Показатели корреляции между экспериментальными
и вычисленными значениями температуры вспышки
Показатели корреляции
|
Тренировочная выборка
|
Контрольная выборка
|
R2
|
0,9962
|
0.9836
|
s
|
2,88
|
4.32
|
Достигнутая точность
прогнозирования температуры вспышки не уступает даже точности оценок
температуры кипения методами QSPR, что убедительно демонстрирует высокую
эффективность использованных нами дескрипторов и алгоритма прогнозирования.
Также нами была
выполнена оценка температуры вспышки алканов, не полученных экспериментальным
путем.
Таблица 2 – Оценка температур вспышки
алканов, не имеющих экспериментально установленных значений
№
|
Название вещества
|
CAS- номер
|
Температуры вспышки
|
1
|
2-methylheptadecane
|
1560-89-0
|
-5
|
2
|
3-ethyl-2,4-dimethylhexane
|
7220-26-0
|
43
|
3
|
2,5,6-trimethyloctane
|
62016-14-2
|
58
|
4
|
5-propylnonane
|
998-35-6
|
77
|
5
|
2,2,6-trimethyloctane
|
62016-28-8
|
56
|
6
|
2,3-dimethylundecane
|
17312-77-5
|
93
|
7
|
2,4,5-trimethylheptane
|
20278-84-6
|
41
|
8
|
5-methyldecane
|
13151-35-4
|
60
|
9
|
4-ethyl-3,3-dimethylhexane
|
52897-05-9
|
43
|
10
|
2,2,3-trimethylheptane
|
52896-92-1
|
40
|
11
|
2,9-dimethyldecane
|
1002-17-1
|
74
|
12
|
2,3,4,4-tetramethylhexane
|
52897-12-8
|
40
|
13
|
4-ethyl-3-methylheptane
|
52896-89-60
|
45
|
14
|
3-ethyl-5-methylheptane
|
52896-90-9
|
44
|
15
|
4-ethyl-2-methylheptane
|
52896-88-5
|
42
|
16
|
2,3-dimethyldodecane
|
6117-98-2
|
109
|
17
|
3-methyltetradecane
|
18435-22-8
|
126
|
18
|
2,6,6-trimethyloctane
|
54166-32-4
|
57
|
19
|
2,3,3-trimethylheptane
|
52896-93-2
|
41
|
20
|
2,3,7-trimethyloctane
|
62016-34-6
|
57
|
21
|
2-methyl-6-ethyloctane
|
62016-19-7
|
59
|
22
|
2,2,3-trimethylnonane
|
55499-04-2
|
75
|
23
|
3-methylheptadecane
|
6418-44-6
|
173
|
24
|
2,2-dimethyltetradecane
|
59222-86-5
|
141
|
25
|
3,4,4-trimethylheptane
|
20278-88-0
|
41
|
26
|
3-ethyl-2,5-dimethylhexane
|
52897-04-8
|
40
|
27
|
5-methylundecane
|
1632-70-8
|
76
|
28
|
2,7-dimethyl-3-ethyloctane
|
62183-55-5
|
75
|
29
|
2,3,3,4-tetramethylhexane
|
52897-10-6
|
41
|
30
|
2-methyltridecane
|
1560-96-9
|
108
|
31
|
3-methyltridecane
|
6418-41-3
|
109
|
32
|
3-ethyl-2,3-dimethylhexane
|
52897-00-4
|
43
|
33
|
3-methylhexadecane
|
6418-43-5
|
158
|
34
|
2-methylhexadecane
|
1560-92-5
|
157
|
35
|
2,2-dimethylundecane
|
17312-64-0
|
91
|
36
|
3-ethyl-2,2,3-trimethylpentane
|
52897-17-3
|
38
|
37
|
2,4-dimethyldecane
|
2801-84-5
|
75
|
38
|
4-methylundecane
|
2980-69-0
|
76
|
39
|
2,2,5-trimethylheptane
|
20291-95-6
|
39
|
40
|
2,3,6,7-tetramethyloctane
|
52670-34-5
|
75
|
41
|
3-ethyf-4-methylheptane
|
52896-91-0
|
44
|
42
|
3-methylnonadecane
|
6418-45-7
|
205
|
43
|
2,2,3,5-tetramethylhexane
|
52897-09-3
|
37
|
44
|
3-ethyl-3,4-dimethylhexane
|
52897-06-0
|
44
|
45
|
3,3,5-trimethylheptane
|
7154-80-5
|
41
|
46
|
3-methylundecane
|
1002-43-3
|
77
|
47
|
2-methyltetradecane
|
1560-95-8
|
124
|
48
|
2,4-dimethyl-3-isopropylpentane
|
13475-79-1
|
37
|
49
|
2,4,4-trimethylheptane
|
4032-92-2
|
38
|
50
|
4-ethyl-2,3-dimethylhexane
|
52897-01-5
|
43
|
51
|
2-methylpentadecane
|
1560-93-6
|
141
|
52
|
2,3,3,5-tetramethylhexane
|
52897-11-7
|
38
|
53
|
3-ethyl-2,3,4-trimethylpentane
|
52897-19-5
|
39
|
Расчетные температуры вспышки, полученные нами
при прогнозировании, могут применяться в лабораториях и на химических,
нефтехимических, нефтеперерабатывающих предприятиях, в угольной промышленности,
транспорте, организациях МЧС и других.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Безопасность
жизнедеятельности: Учеб. для вузов / Под общ. ред. С.В. Белова. - 4 -е изд.,
испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 606 с.
2.
Долин
П.А.Основы техники безопасности в электроустановках. Учебное пособие для вузов.
П.А. Долин -3-е изд. Перераб. и доп. – М.: «Знак», 2000 – 440с.
3.
Жилов Ю.Д.,
Куценко Г.И. Справочник по медицине труда и экологии. –2-е изд., перераб. и доп
. М.: Высш. шк., 1995. - 172 с.
4.
Корольченко
А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их
тушения. В 2-х томах. Ассоциация "Пожнаука". -М., 2000. -Т. 1 -709 с,
т. 2 -757 с.
5.
MSDS Online. –
Режим доступа: http://www.msdsonline.com/
6.
MSDS
Solutions. – Режим доступа: http://www.msds.com/
7.
MSDSXchange. –
Режим доступа: http://www.msdsxchange.com/
8.
ChemExper. –
Режим доступа: http://www.chemexper.be/
9.
Murugan R., Grendze M.P.,
Toomey J.E., Katritzky A.R., Karelson M., Lobanov V., Rachwal P. Predicting
Physical Properties from Molecular Structure. // CHEMTECH. - 1994. - Vol. 24.
- P. 17-23.
10.
Katritzky A.R.,
Lobanov V.S., Karelson M., Murugan R., Grendze M.P., Toomey J.E. Comprehensive Descriptors
for Structural and Statistical Analysis. 1. Correlations Between Structure and
Physical Properties of Substituted Pyridines. // Rev. Roum. Chim. - 1996. -
Vol. 41. - P. 851-867.
11.
Tetteh J., Suzuki T.,
Metcalfe E., Howells S. Quantitative Structure-Property Relationships for the
Estimation of Boiling Point and Flash Point Using a Radial Basis Function
Neural Network. // J. Chem. Inf. Compt. Sci. - 1999. - Vol. 39. - P. 491.
12.
NIST Chemistry WebBook. NIST
Standard Reference Database Number 69 - November 1998 Release. – Режим доступа http:
// webbook.nist.gov/chemistry/
13.
Yaws C.L. Yaws' Handbook of
Thermodynamic and Physical Properties of Chemical Compounds // Ed. Carl L. Yaws
New York: Norwich. - 2003. - 779 p.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.