CC BY
14МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПАРООБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В УСЛОВИЯХ СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР
А.А. Мифтахутдинова;
А.А. Таранцев, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации; Г.К. Ивахнюк, доктор химических наук, профессор. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Представлены результаты исследований по оценке влияния условий стабилизации углеродных наноструктур на интенсивность испарения модифицированных нефтепродуктов методом регрессионного анализа.
Ключевые слова: интенсивность испарения, нефтепродукты, переменный частотно-модулированный сигнал, регрессионный анализ
MODELING OF THE EVAPORATION CONTROL OF MODIFIED OIL PRODUCTS BY STABILIZING CARBON NANOSTRUCTURES
A.A. Miftakhutdinova; A.A. Tarantsev; G.K. Ivakhnyuk. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The results of studies assessing the influence of stabilization conditions of carbon nanostructures on the rate of evaporation of modified petroleum products by the method of regression analysis are presented.
Keywords: evaporation rate, petroleum products, variable frequency-modulated signal, regression analysis
Пожароопасные жидкости, обращающиеся в технологическом процессе, являются основным фактором возникновения пожароопасной ситуации на предприятии. Согласно ГОСТ Р 12.3.047-2012, физико-химические свойства пожароопасных жидкостей определяют пожаровзрывоопасные параметры технологического процесса и обуславливают тем самым категории взрывопожарной и пожарной опасности помещений и зданий [1].
Существующие мероприятия снижения пожарной опасности технологических процессов и производств (ограничение разлива легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, уменьшение интенсивности испарения, снижение электризации и т.д.) имеют технологические пределы. Ряд технологических ограничений влечет за собой снижение уровня пожаровзрывобезопасности технологического процесса, безопасности работы персонала, а так же материальный ущерб, в связи с отсутствием достаточного уровня контроля за соблюдением требований пожарной безопасности.
В этой связи возникает проблема обеспечения взрывопожарной и пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли (насосные станции, трубопроводные системы, сливо-наливные эстакады и т.п.), а также аналогичных объектов других отраслей народного хозяйства. Эта проблема может быть решена, в частности, применением наноструктур в качестве специальных присадок к обращающимся в технологических процессах легковоспламеняющимся и горючим жидкостям.
Проведен ряд экспериментальных исследований, которые отражают возможность применения углеродных наноструктур в качестве присадок в целях снижения пожарной опасности процессов хранения, транспортировки и перекачки пожаровзрывоопасных жидкостей [2-4]. Однако улучшенные характеристики наножидкостей сохраняются
в течение малого времени. Данное явление обусловлено агрегацией наночастиц и их дальнейшим оседанием.
Таким образом, возникает необходимость применения дополнительных способов и/или методов стабилизации наночастиц в системе жидкостей. В работе [2] определены условия стабилизации наноструктур. Исследование отражает снижение электрической проводимости и интенсивность испарения веществ, что связано с более медленной агрегацией наночастиц во времени, изменение надмолекулярной структуры жидкостей при электрофизическом воздействии с помощью переменного частотно-модулированного сигнала (ПЧМС). Следовательно, необходимо провести оценку воздействующих факторов на стабильность наноструктур в системе нефтепродуктов для определения оптимальных параметров стабилизации.
В работе [5] проведена оценка влияющих факторов на процессы электризации жидких углеводородов, подготовленных в условиях стабилизации углеродных наноструктур, в ходе которой посредством нейросетевого моделирования выявлено, что факторами электризации жидких углеводородов при стабилизации наноструктур являются: добротность наночастиц, концентрация наночастиц в жидкостях, коэффициент динамической вязкости базовых жидкостей, коэффициент поверхностного натяжения наножидкости, диэлектрическая проницаемость наножидкости.
С целью проведения оценки влияния входных факторов (ВФ) - Х1 — Х15, (табл. 1.) на выходной параметр (ВП) - интенсивность испарения модифицированных углеродными наноструктурами нефтепродуктов проводились испытания с воспроизведением 100 (N=100) различных сочетания ВФ. Для достижения максимальной объективности результатов анализа эксперименты проводились пятикратно.
В исследовании использовались нефтепродукты - этанол (ГОСТ 18300-87), о-ксилол (ГОСТ 9410-78), керосин авиационный марки ТС-1 (ГОСТ 10227-86), бензин марки АИ-95 (ГОСТ 32513-2013), модифицированные углеродными наноструктурами, содержащие многослойные углеродные нанотрубки [6].
Результатом исследования является зависимость коэффициента изменения интенсивности испарения от ВФ [7]:
У = /(Х ......Х15), (1)
чтобы оценить изменения интенсивности испарения при различных сочетаниях факторов
(Х1 — Х15).
Таблица 1. Воздействующие факторы, воспроизводимые в ходе испытаний, и регистрируемый выходной параметр
ВФ, ВП Характеристика Единицы измерения
Время измерения час
Х2 Молярная масса нефтепродуктов г/моль
Хз Средний диаметр углеродных наноструктур в нефтепродуктах нм
Х4 Расстояние между углеродными наноструктурами в нефтепродуктах нм
Х5 Концентрация наноструктур в нефтепродуктах % об.
Хб Коэффициент поверхностного натяжения модифицированных углеродными наноструктурами нефтепродуктов -
Х7 Коэффициент изменения удельной электрической проводимости модифицированных углеродными наноструктурами нефтепродуктов -
ВФ, ВП Характеристика Единицы измерения
Х8 Диэлектрическая проницаемость модифицированных углеродными наноструктурами нефтепродуктов -
Х9 Плотность нефтепродуктов г/см3
Х10 Коэффициент динамической вязкости нефтепродуктов (20 °С) МПа/с
хп Добротность углеродных наноструктур ^Ю) -
Х12 Напряжение переменного электрического поля, генерируемого прибором ПЧМС В
Х13 Удельная теплоемкость нефтепродуктов кДж/кгК
Х14 Удельная поверхность углеродных наноструктур м2/г
Х15 Удельная электрическая проводимость нефтепродуктов См/м
У Коэффициент изменения интенсивности испарения -
Зависимость (1) возможно получить в виде квазилинейного уравнения регрессии [8]:
У = Ш 1« (2)
где а^ - i искомый коэффициент регрессии; - i условный фактор, представляющий собой функцию от ВФ Х1 — Х15; М - число коэффициентов регрессии или условных факторов (М<^.
Методом форсированного перебора подбирались условные факторы ¿}, а методом наименьших квадратов рассчитывался коэффициент регрессии * а ¿} [9] из условия:
й] = (ы-м]г ^^ 1 (у^-уЦ)2
тт,
где у]£, у1 - полученное и вычисленное по уравнению регрессии (2) в ходе i испытания значения ] ВП, соответственно для i сочетания ВФ.
По критерию Фишера F [10] оценивалась адекватность уравнения (2) [11] с точностью, достаточной для инженерных расчетов:
и - в1°
Р] - "Б?
где Б] 0 - дисперсия опытов.
Для оценки адекватности результатов регрессионного анализа помимо критерия Фишера использовался дополнительный критерий в виде максимального рассогласования А между экспериментальным и расчетным значениями ВП:
Д - т ах аЬз(у]1 - у?).
С помощью программного продукта REGRAN производились вычисления коэффициентов регрессии * а ¿} и подбор условных факторов (гъ ..., гм). Зависимость ВП от ВФ может быть описана множеством адекватных уравнений, следовательно, для построения регрессионных моделей применялся принцип многомодельности [12], тем самым обеспечивается объективность прогноза выходного параметра и результата оценки значимости входных факторов (Х1 — Х1 5 ). Результаты регрессионного анализа (адекватные квазилинейные регрессионные модели) представлены в табл. 2. Для удобства расчетов применялись преобразования ВФ: ф1=0,375Х1+0,5; ф2=0,025Х2-0,65; ф3=0,156Х3+0,5;
ф4=0,00566Х4+0,5; фз=0,000155Хз+0,446; фб=1,5Хб+0,5; ф7=63,8Х7-0,923; ф8=2,27Х8+0,5; ф9=0,12Х9+0,212; ф10=20,6Х10-15,8; (ри=1,73Хи-0,0565; ф12=4,84Х12-3,66; (р13=0,0268Х13+0,499; ф14=2,14Х14-3,14; ф15=0,000993Х15+0,411.
Таблица 2. Регрессионные модели, построенные по результатам испытаний
Вид уравнения регрессии (2) F А
1 ф6 ■ фл0 ф7 Yt = -17,1 + 0,40113 --+ 0,04561- + 0,5633- — <Piш Ч>9 ш <Рю (Pis <Pl0 4,5 1,2
Фл ' Фл Фл ' <07 ' Флп Ф& Y2 = -13,36 - 0,03939 ---- 0,35 - - 0,126 ■ —^--0,2143 Ч>7 ш <Рю ■ (Pis Ч>9 ш (Pis <Ps ■ <Р6 ер 1 ■ (п7 т10 ■ - 0,490--—- <Р6 ■ VIS <Р1'<Р6Ш <Р7 6,5 1,4
По результатам регрессионного анализа процесса парообразования с открытой поверхности модифицированных нефтепродуктов в условиях стабилизации углеродных наноструктур выявлены основные влияющие факторы (в последовательности убывания их влияния на ВП): Х9 (плотность базовой жидкости), Х6 (коэффициент поверхностного натяжения), Х8 (диэлектрическая проницаемость модифицированных нефтепродуктов), Х14 (удельная поверхность наноструктур), Х1 (время измерения). Входные факторы Х2-Х5, Х7, Х10-Х13 и Х15 не использовались в связи с высокой взаимной корреляцией.
Применение регрессионного анализа для исследования процесса парообразования с открытой поверхности модифицированных нефтепродуктов в условиях стабилизации углеродных наноструктур позволяет сформулировать рекомендации по применению данной технологии с целью управления пожароопасными процессами при обращении с нефтепродуктами.
При воздействии ПЧМС процесс образования агрегатов углеродных наноструктур в нефтепродуктах замедляется, расстояния между наноструктурами стабилизируются в течение четырех часов по сравнению с наножидкостями, подготовленными без применения дополнительных способов стабилизации.
Данные результатов исследования о снижении интенсивности испарения модифицированных нефтепродуктов в условиях электрофизического воздействия свидетельствуют о возможности применения технологии стабилизации углеродных наноструктур путем оперативной подачи наноструктурной присадки и дальнейшей ее стабилизации в нефтепродуктах при угрозе и возникновении возможных аварийных ситуаций.
Литература
1. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности (утв. и введен в действие Приказом МЧС РФ от 25 марта 2009 г. № 182). М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.
2. Условия стабилизации наноструктур для безопасной транспортировки легковоспламеняющихся жидкостей / А.В. Иванов [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. 2017. Т. 26. № 9. С. 35-43.
3. Иванов А.В., Ивахнюк Г.К., Емельянова А.Н. Исследование влияния углеродных нанотрубок на температуру вспышки керосина в условиях воздействия переменного частотно-модулированного потенциала // Проблемы управления рисками в техносфере. 2013. № 3 (27). С. 53-57.
4. Управление электростатическими свойствами жидких углеводородов, модифицированных углеродными наноструктурами / А.В. Иванов [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. 2017. Т. 26. № 7. С. 16-27.
5. Мифтахутдинова А.А., Иванов А.В., Ивахнюк Г.К. Моделирование процессов электризации жидких углеводородов в условиях стабилизации углеродных наноструктур / / Техносферная безопасность. 2018. Т. 21. № 4. С. 36-44.
6. Shah N., Panjala D., Huffman G.P. Hydrogen production by catalytic decomposition of methane // Energy & Fuels. 2001. Vol. 15. № 6. P. 1528-1534. DOI: 10.1021/ef0101964.
7. Многофакторная регрессионная модель процессов детоксикации почв в условиях чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса / А.А. Таранцев [и др.] // Проблемы управления рисками в техносфере. 2016. № 4 (40). С. 34-42.
8. Таранцев А.А. Регрессионный анализ и планирование испытаний в задачах принятия решений: монография. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2017. 174 с.
9. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.
10. Критенко М.И., Таранцев А.А., Щебаров Ю.Г. Оценка значимости факторов при их комплексном воздействии на систему // Известия РАН. Автоматика и телемеханика. 1995. № 10.
11. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука,
1983.
12. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. 5-е изд., стереотип. М.: Высш. шк., 1998.
References
1. SP 12.13130.2009. Opredelenie kategorij pomeshchenij, zdanij i naruzhnyh ustanovok po vzryvopozharnoj i pozharnoj opasnosti (utv. i vveden v dejstvie Prikazom MCHS RF ot 25 marta 2009 g. № 182). M.: FGU VNIIPO MCHS Rossii, 2009.
2. Usloviya stabilizacii nanostruktur dlya bezopasnoj transportirovki legkovosplamenyayushchihsya zhidkostej / A.V. Ivanov [i dr.] // Pozharovzryvobezopasnost'. 2017. T. 26. № 9. S. 35-43.
3. Ivanov A.V., Ivahnyuk G.K., Emel'yanova A.N. Issledovanie vliyaniya uglerodnyh nanotrubok na temperaturu vspyshki kerosina v usloviyah vozdejstviya peremennogo chastotno-modulirovannogo potenciala // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2013. № 3 (27). S. 53-57.
4. Upravlenie elektrostaticheskimi svojstvami zhidkih uglevodorodov, modificirovannyh uglerodnymi nanostrukturami / A.V. Ivanov [i dr.] // Pozharovzryvobezopasnost'. 2017. T. 26. № 7. S. 16-27.
5. Miftahutdinova A.A., Ivanov A.V., Ivahnyuk G.K. Modelirovanie processov elektrizacii zhidkih uglevodorodov v usloviyah stabilizacii uglerodnyh nanostruktur // Tekhnosfernaya bezopasnost'. 2018. T. 21. № 4. S. 36-44.
6. Shah N., Panjala D., Huffman G.P. Hydrogen production by catalytic decomposition of methane // Energy & Fuels. 2001. Vol. 15. № 6. P. 1528-1534. DOI: 10.1021/ef0101964.
7. Mnogofaktornaya regressionnaya model' processov detoksikacii pochv v usloviyah chrezvychajnyh situacij na ob"ektah neftegazovogo kompleksa / A.A. Tarancev [i dr.] // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2016. № 4 (40). S. 34-42.
8. Tarancev A.A. Regressionnyj analiz i planirovanie ispytanij v zadachah prinyatiya reshenij: monografiya. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2017. 174 s.
9. Nalimov V.V., Chernova N.A. Statisticheskie metody planirovaniya ekstremal'nyh eksperimentov. M.: Nauka, 1965.
10. Kritenko M.I., Tarancev A.A., Shchebarov Yu.G. Ocenka znachimosti faktorov pri ih kompleksnom vozdejstvii na sistemu // Izvestiya RAN. Avtomatika i telemekhanika. 1995. № 10.
11. Bol'shev L.N., Smirnov N.V. Tablicy matematicheskoj statistiki. M.: Nauka, 1983.
12. Ventcel' E.S. Teoriya veroyatnostej. 5-e izd., stereotip. M.: Vyssh. shk., 1998.
