CC BY
1
УДК 614.842.618
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОХЛАЖДЕНИЕ РЕЗЕРВУАРА
Н. С. ЮЛАМАНОВА1, Е. В. ПОПОВА1, ЯХИ АБДЕСЛАМ1, И. Ф. ХАФИЗОВ1,2
1
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российская Федерация, г. Уфа 2 Академия наук Республики Башкортостан, Российская Федерация, г. Уфа E-mail: yulamanovanursilya@gmail.com, evpopova10@yandex.ru, abdobac2011 @hotmail.fr, ildar.hafizov@mail.ru
В статье приведены результаты исследований воздействия поверхностно-активных веществ (ПАВ), вводимых в систему орошения, на процесс охлаждения резервуаров. Описана методика эксперимента и сделаны соответствующие заключения по результатам экспериментальных исследований, представляющих научную ценность и обоснованность. Приведены рекомендации по использованию нужной концентрации ПАВ для достижения наиболее быстрого и эффективного охлаждения резервуара.
Ключевые слова: охлаждение резервуара, системы орошения, поверхностно-активные вещества, установки охлаждения, тепловая защита, защита резервуара.
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE ADDITION OF SURFACTANTS
ON THE COOLING OF THE TANK
N. S. YULAMANOVA1, E. V. POPOVA1, YAKHI ABDESLAM 1, I. F. HAFIZOV 1,2
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU),
Russian Federation, Ufa Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan, Russian Federation, Ufa E-mail: yulamanovanursilya@gmail.com, evpopova10@yandex.ru, abdobac2011 @hotmail.fr, ildar.hafizov@mail.ru
The article examines the effect of surfactants introduced into the irrigation system on the cooling process of tanks. The experimental methodology is described and appropriate conclusions are made based on the results of experimental studies of scientific value and validity. Recommendations are given on the use of the desired concentration of surfactants to achieve the fastest and most efficient cooling of the tank.
Key words: tank cooling, irrigation systems, surfactants, cooling units, thermal protection, tank protection.
Введение
При возникновении пожара в одном из резервуаров на территории, есть большой риск возгорания и соседних из-за огромного потока тепловой энергии горящего резервуара, при этом будет иметь место так называемый каскадный пожар. Этот наиболее опасный сценарий развития пожара, сопровождающийся переходом пожара на другие соседние резервуары и ухудшающий общий фон развития чрезвычайной ситуации, принято называть «эффектом домино».
Исследование эффективности охлаждения резервуаров является на сегодняшний день актуальной задачей. По статистике большое количество пожаров по России и по миру происходят именно в резервуарных парках нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих объектов, имеющих особую роль в инфраструктуре и экономике страны. В результате пожаров наносится экологический вред окружающей среде, предприятия несут материальные затраты [1].
© Юламанова Н. С., Попова Е. В., Абдеслам Яхи, Хафизов И. Ф., 2023
Для предотвращения «эффекта домино», необходимо выполнять мероприятия по снижению теплового обмена между резервуарами, то есть защитить от конвективного и лучистого теплообмена соседний резервуар. Это осуществляется охлаждением соседних резервуаров по длине полуокружности [2].
Охлаждение является обязательным и предусматривает два способа: стационарную установку и передвижную технику. Стационарная система охлаждения должна иметь стационарную установку охлаждения, состоящую из кольца орошения. Кольцевая система орошения имеет 4 части и находится в верхней части стенки резервуара [3, 4].
Однако, вода, как охлаждающее вещество, имеет высокий коэффициент поверхностного натяжения, что приводит к замедлению процесса охлаждения. Поэтому необходимо найти такие способы уменьшения времени охлаждения, чтобы можно было справиться с поставленной задачей быстрее.
В последние годы проводятся научные исследования и опыты по использованию поверхностно-активных веществ в области пожаротушения. Для изучения данной проблемы, нами были проведены эмпирические опыты по выявлению их эффективности при охлаждении [5].
Цель исследования - оценка воздействия поверхностно-активных веществ (ПАВ) в составе воды системы орошения резервуаров в резервуарных парках на скорость процесса охлаждения.
Несмотря на актуальность темы, проблема не изучена полностью. Поэтому рассмотрение вопросов об усовершенствовании методов защиты резервуаров от теплового
воздействия добавлением поверхностно-активных веществ в систему орошения имеет обоснованную научную новизну.
Материалы и результаты исследования
В качестве объекта исследования выбраны резервуары. В опытной установке использовали имитаторы стенок резервуаров -стальные пластины. В ходе исследования и эмпирических опытов были получены оптимальные концентрации добавочного состава для тепловой защиты резервуаров. В качестве веществ, уменьшающих поверхностное натяжение технической воды, использовали различные поверхностно-активные вещества [6].
При попадании на горячую поверхность стали, вода вскипает и образует паровую прослойку, тем самым снижает теплосъем, в результате чего увеличивается время охлаждения, тратится большое количество воды. Добавление поверхностно-активных веществ, благодаря уменьшению поверхностного натяжение воды, исключает данный недостаток. Также наличие ПАВ влияет и на теплопередачу, поскольку изменение поверхностного натяжения изменяет диаметр отслоения пузырьков, особенно при кипении [7, 9].
Ниже описана методика проведения исследования по выявлению влияния состава жидкости (с поверхностно-активными веществами) на устойчивость стали в процессе теплопередачи.
В качестве материала для стенок резервуара выбиралась чистая углеродистая сталь марки 3сп толщиной в 5 см (рис.1а). Для имитации процесса нагрева стенок резервуара, использовалась установка для определения воспламеняемости материалов (рис. 1б).
Рис. 1. Процесс теплового воздействия: а - образец стали; б - установка для нагрева
б
а
Данная установка служит источником тепловой энергии, способная нагреть сталь до характерных во время пожара высоких температур. Образец стали помещался под горелку и нагревался до нужных температур. Темпера-
тура нагрева проверялась тепловизионной камерой <Югадег UCF 9000», имеющей высокий класс точности. Так же контроль температуры осуществлялся устройством измерения температуры. После нагрева стали, ровно в тот мо-
мент, когда температура составляла 400°С, отсчитывался обратный процесс - процесс охлаждения. Фиксировали температуру с шагом в одну секунду [8].
На первом этапе испытания проводились с чистой водой. Поток воды направлялся строго в одну выбранную точку, а замер температуры проводили в трех заранее помеченных точках со стороны нагрева и с обратной стороны образца, с учетом того факта, что сталь имеет различную температуру в разных точках. Таким образом проверяли разницу в скорости снижения температуры.
При охлаждении чистой водой наблюдались следующие зависимости: снижение температуры происходило достаточно стабильно без резких скачков. Кроме этого, необходимо отметить, что во всех рассмотренных точках, когда температура стали достигала значения 100°С, процесс сильно замедлялся и температура продолжала снижаться с разницей всего в несколько градусов. В точке непосредственного охлаждения, куда вода попадала напрямую, наблюдалось самое быстрое
Из зависимости видно, что при наличии в воде ПАВ, жидкость обладает большей эффективностью, что способствует быстрому охлаждению, и, соответственно, позволяет избегать лишней траты воды.
Такие положительные результаты связаны с тем, что поверхностно-активные вещества преимущественно мигрируют к границам раздела и встраиваются между молекулами воды, изменяя баланс сил на границе раздела. В результате этого равновесие нарушается и
снижение температуры. Так, эксперимент подтверждает логическое суждение: чем дальше находится точка от места воздействия охлаждающей жидкости, тем медленнее она остывает.
Итак, по результатам всех экспериментов, проведенных с чистой водой можно сказать, что самое быстрое охлаждение составляет 3 минуты при подаче 700 мл воды в точку ее воздействия.
Далее те же этапы эксперимента осуществлялись с добавлением ПАВ. Всего подбирались три концентрации: 0,001 г/л, 0,1 г/л и 0,2 г/л на 5л воды комнатной температуры. Результаты показали, что добавление поверхностно-активных веществ резко снижает температуру. По сравнению с чистой водой, разница существенна. Самым лучшим эффектом охлаждения обладает концентрация 0,1 г/л: сталь охладилась за 2 мин 7 сек.; объем использованной воды - 500 мл. На рис. 2 представлена разница между опытами по времени охлаждения.
Рис. 2. Время
— с чистой водой охлаждения
— с пав стали
требуется всего несколько промилле поверхностно-активного вещества, чтобы значительно изменить поверхностное натяжение. Уменьшение поверхностного натяжения позволяет улучшить теплопередачу и, следовательно, способствует охлаждению металла.
Таким образом, при добавлении поверхностно-активных веществ даже при очень низких концентрациях, происходит изменение поверхностного натяжения и улучшение охлаждающей способности воды.
Вре»1я. с
Список литературы
1. Статистика чрезвычайных происшествий на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности за 20072016 гг. / А. В.Краснов, З. Х. Садыкова, Д. Ю. Пережогин [и др.] // Сетевое издание «Нефтегазовое дело». 2017. №. 6. С. 179-191.
2. Физико-химические основы развития и тушения пожаров / В. Ф. Марков, Л. Н. Маскаева, М. П. Миронов [и др.]. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. 272 с.
3. Федюшкин К. Г., Карапузов И. А. Повышение эффективности эксплуатации резервуаров // Инновации. Наука. Образование. 2020. № 14. С. 524-534.
4. Керимов У. А. Анализ влияния охлаждения стенок резервуаров струями воды на процесс горения и тушения легковоспламеняющихся жидкостей при низких температурах окружающей среды // Проблемы науки. 2017. № 2. С. 34-38.
5. Liberanore M.W., E. J. Pollauf, A. J. J. McHungh. Shear - induced structure formation is solutions of drag reducing polymers. Non - Newton. Fluid Mech. 2003. № 2. рр. 193208.
6. Яхи А., Хафизов Ф. Ш., Попова Е. В. Численное исследование поверхностного натяжения при зародышеобразовании кипения. Актуальные проблемы и тенденции развития техносферной безопасности в нефтегазовой отрасли: сборник материалов II Международной научно-практической конференции. Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет. 2019. С. 167-168.
7. Милова А. М., Апарина М. И. Моделирование кипения свободной воды при пожаре // Современные концепции научных исследований. 2015. С. 271-273.
8. Бурлака Б. К., Попова Е. В., Хафи-зов Ф. Ш. Усовершенствование системы охлаждения резервуаров. В сборнике: Актуальные проблемы и тенденции развития техносфер-ной безопасности в нефтегазовой отрасли. Материалы III Международной научно-практической конференции. 2020. С. 303-305.
9. Research on the thermal impact on steel structures of tanks in case of fire / E. V. Popova, F. Sh. Khafizov, G. M. Gritsay [et al.]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2022. DOI: 10.1088/17551315/981/3/032066.
References
1. Statistika chrezvychajnyh proisshestvij na ob»ektah neftepererabatyvayushchej i nefte-khimicheskoj promyshlennosti za 2007-2016 gg.
[Statistics of emergency incidents at the facilities of the oil refining and petrochemical promyshlennosti za 2007-2016 gg.] / A. V. Krasnov, Z. H. Sadykova, D. Yu. Perezhogin [et al.]. Sete-voe izdanie «Neftegazovoe delo». 2017, issue 6, pp. 179-191.
2. Fiziko-himicheskie osnovy razvitiya i tusheniya pozharov [Physico-chemical foundations of fire development and extinguishing] / V. F. Markov, L. N. Maskayeva, M. P. Mironov [et al.]. Yekaterinburg: UrO RAN, 2011, 272 p.
3. Fedyushkin K.G., Karapuzov I.A. Pov-yshenie effektivnosti ekspluatacii rezervuarov [Improving the efficiency of tank operation]. Innovacii. Nauka. Obrazovanie. 2020, issue 14, pp. 524534.
4. Kerimov U.A. Analiz vliyaniya ohla-zhdeniya stenok rezervuarov struyami vody na process goreniya i tusheniya legkovosplamenyay-ushchihsya zhidkostej pri nizkih temperaturah okruzhayushchej sredy [Analysis of the effect of cooling the walls of tanks with water jets on the process of gorenje and extinguishing flammable liquids at low ambient temperatures] // Problemy nauki. 201, issue 2, pp. 34-38.
5. Liberanore M.W., E. J. Pollauf, A. J. J. McHungh. Shear - induced structure formation is solutions of drag reducing polymers. Non - Newton. Fluid Mech. 2003. № 2. pp. 193208.
6. Yakhi A., Hafizov F. Sh., Popova E. V. Chislennoe issledovanie poverhnostnogo natya-zheniya pri zarodysheobrazovanii kipeniya [Numerical study of surface tension during nucleation of boiling]. Aktual'nye problemy i tendencii razvitiya tekhnosfernoj bezopasnosti v neftegazovoj ot-rasli: sbornik materialov II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ufa: Ufimskij gosudarstvennyj neftyanoj tekhnicheskij universi-tet, 2019, pp. 167-168.
7. Milova A. M., Aparina M. I. Modeliro-vanie kipeniya svobodnoj vody pri pozhare [Simulation of free water boiling in case of fire ]. Sov-remennye koncepcii nauchnyh issledovanij, 2015, pp. 271-273.
8. Burlaka B.K., Popova E.V., Hafizov F.Sh. Usovershenstvovanie sistemy ohlazhdeniya rezervuarov. [Improvement of the tank cooling system]. V sbornike: Aktual'nye problemy i tendencii razvitiya tekhnosfernoj bezopasnosti v neftegazovoj otrasli. Materialy III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. 2020, pp. 303305.
9. Research on the thermal impact on steel structures of tanks in case of fire / E. V. Popova, F. Sh. Khafizov, G. M. Gritsay [et al.]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2022. DOI: 10.1088/17551315/981/3/032066.
Юламанова Нурсиля Сабировна
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российская Федерация, г. Уфа
Магистрант кафедры «Пожарная и промышленная безопасность»
E-mail: yulamanovanursilya@gmail.com
Yulamanova Nursilya Sabirovna
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU)
Russian Federation, Ufa
master's student of the Department «Fire and Industrial Safety» E-mail: yulamanovanursilya@gmail.com
Попова Елена Викторовна
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российская Федерация, г. Уфа
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Пожарная и промышленная безопасность», E-mail: evpopova10@yandex.ru Popova Elena Victorovna
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), Russian Federation, Ufa
Candidate of of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department «Fire and
Industrial Safety»,
E-mail:evpopova10@yandex.ru
Яхи Абдеслам
Уфимский государственный нефтяной технический университет; Российская Федерация, г. Уфа
аспирант кафедры «Пожарная и промышленная безопасность» E-mail: abdobac2011@hotmail.fr Yakhi Abdeslam
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), Russian Federation, Ufa
postgraduate student of the department «Fire and Industrial Safety» E-mail: abdobac2011@hotmail.fr
Хафизов Ильдар Фанилевич
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российская Федерация, г. Уфа
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Пожарная и промышленная безопасность»; Академия наук Республики Башкортостан, Российская Федерация, г. Уфа,
профессор отделения наук о Земле и нефтегазовых технологий E-mail: ildar.hafizov@mail.ru Khafizov Ildar Fanilevich
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU)
Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department «Fire and Industrial Safety»,
Russian Federation, Ufa
Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan,
Professor of the Department of Earth Sciences and Oil and Gas Technologies,
Russian Federation, Ufa
E-mail: ildar.hafizov@mail.ru
