О кинетике испарения горячих аварийных проливов на объектах нефтехимии

Известные методики расчета массы токсичного или взрывоопасного облака, определяющей силу взрывного или токсического воздействия, весьма разноречивы и предназначены только для установившихся процессов испарения опасных веществ.
Указанные обстоятельства не позволяют объективно оценить риск аварийных ситуаций при эксплуатации нефтехимического оборудования и тем самым затрудняют решение задач управления безопасностью нефтехимических производств. В этой связи нами предпринято экспериментальное исследование кинетических закономерностей испарения опасных веществ с поверхности горячих аварийных проливов. Объектом исследования служили крупнотоннажные продукты нефтехимии: бензол, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), а также этилбензол, являющиеся легковоспламеняющимися жидкостями и опасными химическими веществами II и III классов опасности. Исследование кинетики испарения проводили на специально изготовленной лабораторной установке методом динамической термогравиметрии в политермических условиях при различной подвижности воздушной среды.
Политермический режим обеспечивался в результате естественного охлаждения горячего пролива от температур, близких к температурам кипения, до комнатной температуры. Это позволило максимально приблизить условия эксперимента к реальным условиям испарения аварийных проливов. Скорость набегающего воздушного потока U варьировалась от 0.5 до 3.5 м/с. Опытные данные обрабатывались в соответствии с молекулярно-кинетической теорией испарения по уравнению:

где J — интенсивность испарения, кг/с•м2;
Е — наблюдаемая энергия активации, кДж/моль;
R — универсальная газовая постоянная, кДж/моль•К;
К — коэффициент, зависящий от химического состава вещества.
Обработка опытных данных позволила определить кинетические параметры процесса изотермического испарения опасных веществ (ОВ) для широкого интервала температур как в неподвижной, так и подвижной воздушной среде (таблицы 1, 2).
Полученные уравнения изотермической кинетики испарения были использованы нами для моделирования массообмена при разработке математического описания процесса нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих аварийных проливов.
Для определения полей температур в слое жидкости и ее окружении при нестационарном испарении рассмотрена дифференциальная постановка двумерной задачи переноса тепла теплопроводностью и конвекцией, ее вариационный аналог и численная реализация вариационной постановки с помощью метода конечных элементов.
На основании математического описания разработан программный комплекс «VAPOUR», позволяющий адекватно оценить массу вещества во взрывоопасном или токсичном облаке, а также время и интенсивность его образования в различных условиях обтекания пролива воздушным потоком.
Рис. 1 иллюстрирует полученные с помощью программного комплекса «VAPOUR» результаты моделирования распределения температур в системе жидкость — подстилающая поверхность — воздух при испарении аварийного пролива МТБЭ для различных скоростей обтекания. Характер деформации температурного поля на рис. 1 свидетельствует о том, что в подвижной воздушной среде при скорости воздушного потока 0,5 м/с процесс испарения ЛВЖ переходит из внешнедиффузионной области в кинетическую, то есть лимитируется скоростью молекулярных процессов на межфазной границе, что подтверждается результатами экспериментальных исследований.
Результаты исследований могут способствовать расширению арсенала программных средств для управления безопасностью на основе современных информационных технологий.