Введение к работе
диссертационного совета Светлана Владимировна
*
Актуальность темы исследования. В качестве исходного параметра при оценке последствий аварийной разгерметизации емкостного технологического оборудования используется скорость испарения высвободившейся жидкости, поскольку от данной величины зависит количество поступившего с поверхности пролива опасного вещества и его распределение в окружающей среде. Сложность определения скорости парообразования однокомпонентной жидкости заключается в том, что ввиду испарительного охлаждения снижается температура поверхности пролива и меняются условия термодинамического равновесия на границе раздела фаз, чем и обусловлена нестационарность данного процесса. В случае испарения многокомпонентных жидкостей дополнительное влияние на интенсивность испарения оказывает изменение состава раствора ввиду различной летучести компонентов.
В настоящее время при проведении анализа риска рекомендуются к использованию модели, изложенные в разработанных и апробированных нормативных методиках. Однако, при расчетах по данным методикам не принимается во внимание нестационарный характер испарения опасных веществ, обусловленный возможным изменением состава жидкости. Кроме того, в данных моделях не учитываются локальные особенности расположения пролива в условиях промышленного объекта и влияние турбулентных характеристик парогазовой смеси в пограничных слоях атмосферы на интенсивность парообразования.
Указанные недостатки могут привести к снижению достоверности полученных результатов и к неверной расстановке приоритетов при распределении финансовых, материальных и человеческих ресурсов на обеспечение безопасности. В случае, если прогнозируемое количество испарившегося вещества окажется завышенным, то это приведет к увеличению размера страховых взносов при страховании гражданской ответственности владельца опасного объекта за причинение вреда в результате аварии, а так же к появлению дополнительных материальных затрат, связанных с резервированием денежных средств на локализацию и ликвидацию последствий. Заниженная оценка опасности в свою очередь может привести к катастрофическим последствиям и увеличению числа погибших.
Для точного прогнозирования уровня опасности, оценку последствий аварийных проливов токсичных и взрывопожароопасных жидкостей необходимо проводить с помощью математических моделей, одновременно описывающих испарение опасного вещества из пролива, тепломассоперенос в слое жидкости и адвективно-диффузионный перенос примеси в атмосфере. Однако некоторые работы в данной области посвящены моделированию рассеяния при постоянной интенсивности источника примеси. Довольно часто при математическом описании процесса испарения используются допущения, что пролив имеет бесконечно малую толщину, а испаряющаяся жидкость является однокомпонентной. В тех работах, где рассматриваются растворы, принимается допущение об идеальном перемешивании компонентов.
Вышеизложенное обуславливает актуальность совершенствования математического аппарата для прогнозирования последствий аварийных проливов химически опасных веществ.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является:
Разработка методики прогнозирования последствий аварийных проливов бинарных растворов, позволяющей на основании расчетного распределения концентрации примеси в окружающей среде определять границы зон токсического поражения и массу паров, способных участвовать в процессах горения, при разгерметизации технологического оборудования на предприятиях химической промышленности.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать пользовательские функции, позволяющие применять математическую модель парообразования с поверхности аварийных проливов для определения интенсивности испарения растворов с учетом изменения их температуры и концентрации компонентов, а также тепломассопереноса в слое жидкости.
-
Интегрировать предложенную модель испарения в программный комплекс вычислительной гидрогазодинамики в качестве нестационарного источника примеси, что позволит получить расчетное распределение концентрации паров, поступивших с поверхности пролива, и прогнозировать размеры опасных зон.
-
Собрать лабораторную установку и провести экспериментальные исследования изменения массы и температуры жидкости при её испарении для проверки корректности определения диффузионного потока с поверхности пролива и оценки применимости допущения об идеальном перемешивании раствора.
-
Проверить адекватность разработанной модели путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в процессе проведения самостоятельных натурных и лабораторных исследований, а также с опытными данными, опубликованными другими авторами в открытой печати.
-
Исследовать влияние толщины слоя жидкости, скорости ветра, устойчивости атмосферы, наличия препятствий в непосредственной близости от пролива на интенсивность парообразования и характеристики опасных зон при испарении бинарных растворов, а также оценить влияние допущения об идеальном перемешивании на точность полученных результатов.
Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с численной реализацией разработанной методики на ЭВМ при помощи программного комплекса вычислительной гидрогазодинамики FLUENT, а также проведение численных и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
-
Усовершенствована математическая модель парообразования с поверхности аварийных проливов, что позволит использовать её при определении интенсивности испарения растворов с учетом тепломассопереноса в слое жидкости и нестационарности процесса, обусловленной изменением состава и температуры жидкой фазы, характеристик турбулентного пограничного слоя, а также распределения концентрации паров над поверхностью пролива.
-
Проведены лабораторные и натурные исследования, в результате которых установлена ограниченная применимость допущения об идеальном перемешивании при моделировании испарения некоторых веществ.
-
На основе предложенной модели испарения разработана методика оценки последствий аварийных проливов бинарных растворов, позволяющая прогнозировать размеры зон токсической или пожарной опасности на производственных объектах с учетом изменяющейся во времени скорости поступления примеси в окружающую среду.
Личный вклад автора состоит:
в дополнении математической модели испарения с поверхности аварийного пролива уравнениями, позволяющими учесть изменение состава жидкой фазы и тепломассоперенос в слое жидкости, с целью её использования при определении интенсивности парообразования с поверхности аварийных проливов растворов;
в создании лабораторной установки для исследования особенностей испарения при регулируемой скорости воздушного потока над поверхностью жидкости;
в проведении натурных и лабораторных экспериментов по испарению растворов;
в проведении численных исследований влияния толщины слоя жидкости, скорости ветра, устойчивости атмосферы, наличия препятствий в непосредственной близости от пролива на интенсивность парообразования и размеры опасных зон при испарении бинарных растворов;
в совершенствовании методики прогнозирования последствий аварийных проливов посредством включения в неё предложенной модели испарения бинарных растворов;
в подтверждении адекватности разработанной методики путем сравнения расчетных результатов с экспериментальными данными, опубликованными другими авторами в открытой печати, а так же полученными в процессе собственных исследований;
в написании статей и тезисов, участии в конференциях.
Достоверность и обоснованность обусловлена использованием апробированных средств вычислительной гидрогазодинамики, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения и переноса массы, энергии и импульса, а также удовлетворительным согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными автора и взятыми из литературных источников.
Практическая значимость работы состоит в том, что предлагаемая методика позволяет: прогнозировать границы зон токсического поражения; определять массу паров, находящихся во взрывоопасных пределах и способных участвовать в процессах горения или детонации; оценивать вероятность смертельного поражения человека с помощью пробит-функции в рассматриваемом пространстве. Полученные результаты могут применяться для оценки уровня опасности на объектах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в рамках разработки планов ликвидации аварий (ПЛА) и паспортов безопасности опасных производственных объектов. Представленная методика использовалась при оценке последствий возможных аварий на ОАО «Нижнекамскнефтехим», при разработке деклараций промышленной безопасности для ОАО «Химпродукт» и планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС) реагентного хозяйства ООО «Нижнекамская ТЭЦ».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-26» (на базе Ангарской государственной технологической академии и Иркутского государственного университета); на VI Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва); на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань) и ежегодных научных сессиях КНИТУ (Казань).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 8 статей в журналах, рекомендуемых перечнем ВАК для размещения материалов диссертаций и тезисы докладов в материалах научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 3 таблицы. Библиографический список использованной литературы содержит 136 наименований.
