CC BY
242
УДК 622.692.4.053:658.382
О. А. Тучкова, В. С. Гасилов, Т. З. Мустафина
РАЗЛИВЫ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ. ЧАСТЬ 2. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ИСПАРИВШЕГОСЯ ВЕЩЕСТВА
Ключевые слова: План ЛРН; разлив нефти и нефтепродуктов; аварийная ситуация.
В статье приведены результаты численного моделирования процесса испарения нефти с поверхности аварийного разлива при различной скорости движения окружающего воздуха. Представлен способ расчета количества испарившегося вещества на примере разлива туймазинской нефти. Приведен сравнительный анализ двух методик расчета. Построена кривая истинной температуры кипения туймазинской нефти.
Keywords: plan OSR; oil spill and petroleum products; crash.
Results of numerical modeling the evaporation process of oil are given at a various speed of movement surrounding air. The article provides a way to calculate the amount of the evaporated substance on the example of a spill of tuymazinsky oil. Presents the comparative analysis of the two calculation methods. The curve of the true boiling point of tuimazinskaya oil.
В предыдущей части статьи [1] мы описали наиболее проблемные вопросы при разработке Планов ЛРН. Определение состава сил и средств, необходимых для выполнения мероприятий по ЛРН, осуществляется на основании результатов прогнозирования объемов и площадей возможных разливов нефти и нефтепродуктов.
В данной части представлены сведения по расчету количества испарившегося опасного вещества при аварийной ситуации на примере разлива туймазинской нефти.
При авариях, связанных с разгерметизацией емкостного оборудования с различными жидкостями, поступление вредных веществ в окружающую среду определяется испарением с поверхности пролива [2].
Нефть и нефтепродукты характеризуются очень сложным составом. Количество отдельных углеводородов, составляющих нефть, исчисляется десятками тысяч [3]. Нефть - это сложная смесь жидких углеводородов, в которых растворены твердые углеводороды в различных количествах, смолисто-асфальтеновые вещества и природные углеводородные и неуглеводородные газы [4]. В составе нефти найдены многочисленные гетероатомные соединения, сотни углеводородов различного строения. Изучение состава нефти является весьма сложной задачей.
Известны различные методы изучения состава нефти, одним из таковых является разделение сложной смеси на ее более простые составляющие -«фракции».
Число отдельных компонентов нефти носит при этом дифференциальный характер, что не позволяет эту смесь углеводородов характеризовать как многокомпонентную. Поэтому нефть и отдельные её части - фракции выделены в отдельный класс смесей, так называемые «непрерывные» смеси. Состав таких смесей выражают через кривые разгонки, в процессе которой отгоняемые фракции обогащаются легкокипящими фракциями. Кривые разгонки представляются через кривые однократного испарения (ОИ) и истинных температур кипения (ИТК). Эти две кривые поддаются взаимному пересчету [3].
Наиболее простым методом для характеризации состава непрерывных смесей (нефти и нефтяных фракций) стала непрерывная простая перегонка нефти или нефтепродукта, названная однократным испарением. Полученные лабораторные данные по однократному испарению нефти и ее дистиллятов являются основой для технологических расчетов большинства процессов переработки нефти.
Обе кривые ОИ и ИТК характеризуются внутренним сродством, так как получены одним и тем же методом - методом разгонки.
К настоящему времени разработано большое количество сравнительно простых и вместе с тем достаточно надежных методов пересчета кривых ОИ в кривые ИТК и наоборот. Для пересчета кривых ОИ и ИТК наиболее часто используют связь между температурами выкипания 50% фракций (обычно вносят допущение об их совпадении) с последующим пересчетом углов наклона исходной кривой на отдельных её участках. В универсальных моделирующих программах (УМП) (таких как Chem Cad, Pro2, XYSYS) имеются специальные процедуры взаимного пересчета кривых ОИ и ИТК. Это существенно облегчает работу проектировщика. Также надо отметить, что получение экспериментальных кривых разгонки для нефти и мазута во всем диапазоне изменения доли отгона (от 0 до 1) практически невозможно из-за сложности разгонки тяжелых остатков. В расчетных методиках, которые используются в УМП, этот недостаток преодолен. На рисунке 1 приведен результат пересчета экспериментальной кривой ОИ мазута (эксперимент проведен до доли отгона E=0,7; Т=547оС, плотность 935 кг/м3 при 20 оС) в кривую ИТК, выполненный в УМП Chem Cad.
При прогнозировании последствий возможных аварий на взрывоопасных объектах большую роль играет корректное определение количества вещества, которое испаряется в атмосферный пограничный слой с плоской свободной поверхности аварийного пролива. Процесс испарения нефти протекает значительно сложнее химически однородных жидкостей: в самом начале испаряются легкие фракции. Однако работы по исследованию испарения
нефти представлены в небольшом количестве, а математическое описание процесса испарения нефти сводится к использованию упрощенных эмпирических моделей, что может ограничивать их применение в ряде случаев.
t-t0 =-
1 |п( 1 + ах)
¿3(1 + а) (1 - X
(3)
Рис. 1 - Пересчет кривой ОИ в кривую ИТК: ряд 1 - кривая ОИ, ряд 2 - кривая ИТК
В настоящее время для расчета количества испарившейся нефти с поверхности пролива широко используется выражение:
Мзв = т^-т, (1)
где т - время поступления загрязняющих веществ в воздушное пространство, с; т - количество паров нефти или нефтепродуктов, поступающих в атмосферу в результате испарения с единицы поверхности в единицу времени (для нефти выбирается по таблице), кг/м2 с; F - площадь розлива, м2; т для нефтепродуктов, в свою очередь, рассчитывается по формуле:
т = 10-6 - г -Рн- М, кг/м2с; (2)
где Г - коэффициент, зависящий от скоростного
потока воздуха над зеркалом розлива; Рн - давление
насыщенных паров нефтепродукта, кПа; М -молярная масса нефтепродукта, кг/кмоль [5].
Рассмотрим пример расчета на основании данных туймазинской нефти.
Пример
Рассмотрим сценарий аварийной ситуации: гильотинный разрыв емкости объемом 200 м3 (заполненной на 80%) с выбросом всего содержимого, разлив нефти на подстилающую поверхность, испарение нефти со свободной поверхности, образование взрывоопасного облака.
Температура окружающей среды задавалась равной 30 °С. Состояние атмосферы - изотермия. Значения скорости ветра на высоте 10 м, при которых проводился расчет: 0.5, 1, 2 и 3 м/с [3]. Плотность туймазинской нефти 0,89 кг/м3.
Кривая ИТК туймазинской нефти, выбранной для исследования, представлена на рисунке 2.
В основе построенной кривой ИТК лежит математическая модель для определения отгона, соответствующего нормальному распределению фракций по температурам кипения. Решением является выражение:
где t - температура, соответствующая отгону х , С; а, 3 - расчетные коэффициенты для исследуемой
нефти; 1о - начальный предел интегрирования области температуры.
Рис. 2 - Кривая ИТК туймазинской нефти [6]
Коэффициенты tg, а, 3 было получены численным методом на ЭВМ [6]. Для Туймазинской нефти ^ =10,12, а =6,15, ¿=0,9210-3.
Для расчета принималось, что площадка, на которой расположена емкость, ограничена бордюрами и имеет размеры 30 х 30 м. Предполагалось, что при полном разрушении нефть растекается по всей поверхности площадки. Таким образом, толщина слоя нефти имеет значение 0.177 м.
Физические свойства материала подстилающего слоя (бетона): ХдГц = 1,28 Вт/(м К), СрдГц =11,
Рдгс1 =2300 кг/м3. Теплофизические свойства
компонентов в паровой и жидкой фазах считались величинами постоянными.
Начальная температура нефти принималась равной 55 °С. При выбранной температуре суммарное давление насыщенных паров исследуемой нефти равно 96,9 кПа, то есть нефть не находится в состоянии кипения.
На рисунке 3 представлены значения удельной массы испарившейся жидкости тшр в зависимости
от времени испарения т .
В связи с уменьшением содержания легколетучих компонентов в жидкости зависимость величины тшр
от времени носит нелинейный характер. Нелинейность возрастает при увеличении скорости ветра. Изменение тшр для рассмотренного сценария
аппроксимируется степенной зависимостью туар ~
тп с п = 0,63 - 0,66, тшр =ст", где с « 0,018 кг/м2-с.
Примем п = 0,63, тогда удельная масса испарившейся жидкости туар за 3600 с, согласно
представленной выше зависимости, будет равна 3,13 кг/м2. Учитывая, что площадь разлива 900 м2, получим количество испарившейся нефти 2,82 т. Данные, полученные на основании рисунка 3, сведены в таблицу 1.
«1-{ф. кг/м2
<» !2№> 241X1 т. с
Рис. 3 - Зависимость удельной массы испарившейся жидкости гпуар от времени х при
различных значениях скорости ветра: 1 - 0,5 м/с, 2 - 1 м/с, 3 - 2 м/с, 4 - 3 м/с
Таблица 1
Полученные данные сравним с результатом расчеты по формуле 2, представленной выше. Количество испарившейся нефти с поверхности пролива за 6 часов равно:
Мзв = 8290 • 900 • 10"6 = 7,461 т (4)
Количество испарившейся нефти с поверхности пролива за 1 час получаем равным 1,24 т.
Сравнивая полученные результаты, можно сделать вывод об их схожести при скорости ветра
0.5.м/с. При других значениях скорости ветра данные сильно отличаются. Сведения, полученные с использованием кривых ОИ и ИТК, позволяют более точно определить количество испарившегося вещества при розливе, что играет важную роль при дальнейших расчетах.
Литература
1. Тучкова О.А., Гасилов В.С. Разливы нефти и нефтепродуктов. Часть 1: основные положения разработки Планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов // Вестник технологического университета, 19, 21, 69-72 (2016).
2. Салин А.А., Галеев А.Д., Поникаров С.И. Численное моделирование испарения летучей жидкости // Вестник технологического университета, 18, 18, 217-219 (2015).
3. Галеев А.Д., Поникаров С.И. Численный анализ процесса испарения нагретой нефти с поверхности аварийного пролива // Инженерно-физический журнал, 84, 6, 1297-1305 (2011).
4. Фракционный состав нефти и методы его изучения: Учебно-методическое пособие. - Казань: Казанский университет, 2012. - 30 с.
5. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах. АК «Транснефть». - ТрансПресс, 1996. - 67 с.
6. Ахметов С.А., Гайсина А.Р. Моделирование и инженерные расчеты физико-химических свойств углеводородных систем: учебное пособие / С.А. Ахметов, А.Р. Гайсина. - СПб.: Недра, 2010. - 128 с.
скорость ветра, м/с mvap, кг/м2 (при т =3600 с) m с поверхности разлива 900 м2, т
0,5 1,7 1,53
1 3,2 2,88
2 5,9 5,31
3 7,6 6,84
© О. А. Тучкова - к.т.н., старший преподаватель кафедры промышленной безопасности КНИТУ, touchkova-o-a@mail.ru; В. С. Гасилов - к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности КНИТУ, Т. З. Мустафина - магистр кафедры промышленной безопасности КНИТУ.
© О. А. Tuchkova - Ph.D., senior lecturer of the Department of industrial safety of KNRTU, touchkova-o-a@mail.ru; V. S. Gasilov -Ph.D., associate professor of industrial safety of KNRTU, Т. Z. Mustafina - master of the Department of industrial safety of KNRTU.
