CC BY
11
УДК 66.011
А. А. Шестакова, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПОСТУПЛЕНИЯ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ АВАРИЙНОЙ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ
Ключевые слова: выброс опасных веществ, расход, скорость истечения.
В данной статье был выполнен обзор работ и формул, посвященных расчетускорости выброса токсичных промышленных химических веществ, которые подходят для использования в комплексных моделях оценки рисков.
Keywords: emission of dangerous substances, expense, expiration speed.
In this article, the review of the works and formulas devoted to calculation of emission of toxic industrial chemicals, which are suitable for use in complex models of an assessment of risks, been executed.
Введение
Развитие химической и нефтехимической промышленности ведет к увеличению числа объектов хранения жидких химических веществ. Во многих промышленных установках (склады, трубопроводы, контейнеры, железнодорожные вагоны) опасные вещества могут быть разлиты при аварийной разгерметизации, в виде пара, газа или жидкости и рассеиваться в атмосферу. Пролив может произойти из-за аварийного выброса в результате пожара, неконтролируемой реакции или нарушений в трубах или уплотнениях.
Последствия аварий наносят существенный ущерб. Поэтому достоверное прогнозирование последствий аварий имеет большое значение для обеспечения пожарной безопасности, уменьшения людских и материальных потерь [1,2].
Цель данной статьи состоит в том, чтобы рассмотреть существующие методы расчета расхода токсичных веществ при разгерметизации оборудования.
Основное внимание уделяется выбросам сжиженных газов под давлением, таких как аммиак и хлор.Данные токсичные вещества поставляются в больших количествах и являются наиболее опасными токсичными веществами с малыми температурами кипения, которые транспортируются в виде жидкости под давлением.
Массовый расход и скорость выброса являются основными параметрами расчета, учитывая термодинамическое состояние опасного вещества [2].
Методы расчета скорости расхода химических веществ при разгерметизации оборудования
Проливы опасных химических веществ при разгерметизации зависят от состояния материала, находящегося в контейнере:
1. Жидкость в переохлажденном состоянии (температура хранения ниже температуры насыщения). Чаще всего это охлажденные сжиженные газы, хранящиеся при атмосферном давлении.
2. Газ в перегретом состоянии (температура хранения выше, чем температура насыщения).
3. Жидкость или газ в условиях насыщения [1].
В данной статье рассматривается последний тип пролива, когда смесь хранится в условиях насыще-
ния, и учитывается, что во время пролива часть жидкости и пара в пределах контейнера смешивается и образуется двухфазная струя.
В работе [1] представлены методы расчета скорости массового расхода для переохлажденных, насыщенных и двухфазных условий, в которых рассмотрено поведение струи, включая аспекты парообразования и охлаждения, а также двухфазного истечения.
Вычисления массового расхода опасного вещества из контейнера и оценка термодинамического состояния высвобождаемого материала являются общими для струи, указанной на рис. 1 [2].
Особый интерес представляет переход от стационарных условий "0" в плоскость разрыва "1", так как скорость расхода зависит от давления в контейнере.
Рис. 1 - Схематическая диаграмма условий и границ потока химического вещества при разгерметизации «0», «1» и «2» [1]
В данной статье рассматривалась аварийная ситуация, связанная с частичной разгерметизацией трубопровода, содержащего сжиженный аммиак, и трубопровод идущий от данной емкости. Трубопровод диаметром 50 мм идет от нижней части емкости. Давление в емкости 10 атм, температура - 26 °С. Аварийное отверстие (разгерметизация) рассматривали в трубопроводе, которое имеет эффективный радиус 50 мм (площадь 1962,5 мм2) [3].
Также в данной статье рассматривалась частичная разгерметизация трубопровода, идущего от емкости, содержащей сжиженный хлор. Давление в емкости 8 атм, температура - 26 °С. Аварийное отверстие имеет эффективный радиус 50 мм (площадь 1962,5 мм2).
В соответствии с методикой [3] проведен расчет скорости массового расхода, определяемого по формуле:
Чвыб = 0,65 Б1дп (®У2 Идо2 + 2рж
(Р4- Рн(Т4))+±
1 ДИ^ИпР2(Т4,Рн(Г4))
(1)
где 5 - площадь аварийного отверстия м2; ¿ЯК1Ш -теплота испарения (кипения) жидкого опасного
вещества, Дж/кг; С - теплоемкость жидкого опасного вещества, Дж/кг/К; Ткип - температура кипения жидкого опасного вещества при давлении Р0, К;Р0 -давление в окружающей среде, кПа; при нормальных условиях принимается равным 101,325 кПа;д -ускорение свободного падения, равно 9,81 м/с2; рж -плотность жидкого опасного вещества, кг/м3; Р4 -давление в оборудовании, Па [3].
К — функция, зависящая от Ь — длины участка трубопровода от входа до места разгерметизации (в случае истечения непосредственно из емкости Ь = 0).,0тр — диаметр трубопровода [3].
72 „21
К =
шГр ^ )) , 0 < Ь < 30Д
2Рж (р (ТЛ)-Р0 )СрТшш 30Д, тр
ж 1,18, 1,33.
30Д, < Ь < 50Дгр 50Д, < Ь < 100Д
(2)
1,54, 100Д, < Ь < 200Д 1,82, 200Др < Ь < 400Д
2,1,
400Д, < Ь.
Плотность газообразного опасного вещества при температуре Т4 и давлении насыщенных паров при температуре Т4рн (Т4): [3]
р(т4, р. (т =
(3)
Здесь ц - молярная масса опасного вещества, кг/моль; Я - универсальная газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/К/моль; Т4 - температура, при которой находится опасное вещество внутри оборудования, К. [3]
Давление насыщенного пара опасного вещества при температуре Т4 [3]:
Рн (Т4 )= Р0ехР
(
(
АН кипц
1 1
* Т
V кип
Т4
Я
4 J
(4)
Температура аммиака и хлора в емкостях равна 299 К.
Также была рассчитана скорость расхода опасного вещества при разгерметизации емкости, рассчитанная по уравнению Бернулли, представленному в работе [2]:
Q = са^^2(рР(Т0) — Р0)р{ (5)
где са = 0,6 - безразмерный коэффициент расхода; 5 - площадь аварийного отверстия м2; р„(Т0) - давление в емкости, Па; Р0 = 101325 Па - давление в окружающей среде [2].
Результаты численного исследования скорости массового расхода аммиакапредставлены на рис. 2, для хлора на рис. 3.
Рис. 2 - Зависимость значений скорости массового расхода сжиженного аммиака от отношения длины участка трубопровода к его диаметру: 1 -расчет скорости расхода опасного вещества по уравнению Бернулли [2], 2 - расчет скорости расхода опасного вещества по методике [3]
Рис. 3 - Зависимость значений скорости массового расхода сжиженного хлора от отношения длины участка трубопровода к его диаметру: 1 -расчет скорости расхода опасного вещества по уравнению Бернулли [2], 2 - расчет скорости расхода опасного вещества по методике [3]
Заключение
Таким образом, по уравнению Бернулли для аммиака значение скорости расхода при частичной разгерметизации Q = 42,4623кг/сек/ В соответствии с методикой [3] значение скорости расхода при частичной разгерметизации в начале трубопровода равно qвыб = 42,186 кг/сек, а при разгерметизации трубопровода на расстоянии L = 1,5 м от емкости 9выб = 14,784 кг/сек.
Для хлора по уравнению Бернулли значение скорости расхода при частичной разгерметизации емкости равно Q = 55,819 кг/сек. По методике №выб = 54,773 кг/сек, а при разгерметизации трубопровода на расстоянии L = 1,5 м от емкости Чвыб = 15,685 кг/сек.
Таким образом, расчет по уравнению Бернулли дает постоянную величину скорости расхода химического вещества на всем участке трубопровода и не учитывает в трубе потери на трение и снижение скорости потока за счет изменения фазы, происходящей внутри трубы, это будет зависеть от отношения L/D, которое учитывается в методике [3].
Литература
1. RexBritter, JeffreyWeil, JosephLeung, StevenHannaofAt-mospheric Environment. Toxicindustrialchemical (TIC) source emissions modeling for pressurizedliquefied gases. 45 (2011) 1 - 25.
2. Hans K. Fauske and Michael Epstein. J. Loss Prev. Process Ind., Vol 1, April (1988) 75 - 83. Source term considera-
tions in connection with chemical accidents and vapour cloud modelling.
3. Методика моделирования распространены яаварийных выбросов опасных веществ. Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 20 апреля 2015 г. № 158.
© А. А. Шестакова - асп. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, brokkoli@list.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, galeev_ainur@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, ponikarov_si@kstu.ru.
© A. A. Shestakova - graduate student of the department chemical productions machines and apparatuses, KNRTU, brokkoli@list.ru; A. D. Galeev - ph.D., Associate Professor of the department chemical productions machines and apparatuses, KNRTU, ga-leev_ainur@mail.ru; S. I. Ponikarov - doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department chemical productions machines and apparatuses, KNRTU, ponikarov_si@kstu.ru.
