автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методики определения коэффициента диффузии паров пожароопасных жидкостей в воздухе

Введение.

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Современные подходы к анализу горючести паровоздушной среды при обеспечении пожарной безопасности.

1.2. Процесс испарения жидкости и кинетика образования паровоздушных концентраций.

1.3. Анализ существующих методов определения коэффициентов диффузии паров.

1.4. Роль коэффициента диффузии паров ЛВЖ и ГЖ в задачах пожарной безопасности. Цель и задачи исследований.

Глава 2. Методика проведения исследований.

2.1. Теоретические предпосылки.

2.2. Исследуемые вещества.

2.3. Экспериментальная установка.

2.4. Порядок подготовки и проведения опытов.

2.5. Методика обработки экспериментальных данных.

2.6. Погрешности при определения темпа насыщения.

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.1. Экспериментальные данные, полученные на известной лабораторной установке, и их анализ.

3.2. Влияние конвективных возмущений на процесс диффузионного насыщения паровоздушного пространства.

3.3. Попоавка Стебана, её ооль пои учёте конвективной составляющей.

А 1 / 1 IV

ЗА Экспериментальные данные, полученные на модифицированной лабораторной установке, и их анализ.

3.5. Влияние конденсации на процесс диффузионного насыщения паровоздушного пространства.

3.6. Выбор оптимальных условий проведения опытов и их экспериментальная проверка.

Глава 4. Методика определения коэффициента диффузии паров пожароопасных жидкостей в воздухе.

4.1. Способ и устройство.

4.2. Методика проведения испытаний и обработки экспериментальных данных.

На современном этапе широко применяются легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ) жидкости, которые представляют явную пожарную опасность. Пожары, связанные с производством,/хранением и переработкой этих жидкостей, наносят значительный ущерб жизни и здоровью людей, уничтожают материальные ценности и негативно влияют на экологию. В сложившихся экономических условиях часто имеют место случаи нарушения технологии производства, хранения и перевозки пожароопасных жидкостей, которые приводят к их фальсификации и отклонениям по показателям пожарной опасности от требований стандартов. С каждым годом растет количество новых жидкостей, состав которых часто преднамеренно скрывается фирмами-изготовителями, что приводит к невозможности определения их фактической степени пожарной опасности. Существенная доля ЛВЖ и ГЖ приходится на продукты нефтепереработки и углеводородные топлива, которые являются сложными многокомпонентными смесями, что так же осложняет оценку их пожарной опасности и необходимой степени противопожарной защиты того или иного промышленного объекта.

Учитывая изложенное, существует необходимость постоянного совершенствования нормативно-технической базы, необходимой для контроля и профилактики пожаров и загораний, связанных с применением ЛВЖ и ГЖ, со стороны органов государственной противопожарной службы.

В вопросах, связанных с обеспечением пожарной безопасности объектов, на которых применяются ЛВЖ и ГЖ, работа ведется по следующим основным направлениям: предотвращение возможности образования горючей среды; исключение возможных источников зажигания; в случае возникновения пожара - ограничение его размеров, принятие необходимых мер для его локализации и ликвидации. Данная диссертационная работа относится к области, связанной с 5 прогнозированием процессов испарения ЛВЖ и ГЖ и образованием горючей паровоздушной среды.

Часто на промышленных объектах ЛВЖ и ГЖ находятся в замкнутых объемах либо по технологическим соображениям, либо появляются в результате аварийного разлива. Процесс их испарения, образование горючей среды над поверхностью испарения в замкнутых и смежных с ними объемах, повторное формирование взрывоопасной среды после вентиляции технологических аппаратов и помещений обусловлены переносом паров от поверхности жидкости и смешиванием их с воздухом. Определяющим фактором процесса образования паровоздушных концентраций является молекулярный перенос, обусловленный диффузией паров в воздухе.

В настоящее время существуют различные модели для описания процессов молекулярного переноса, в которые входит коэффициент диффузии паров пожароопасных жидкостей в воздухе. Однако справочные данные по коэффициентам диффузии имеются не по веем ЛВЖ и ГЖ и практически отсутствуют по их смесям. Особенно сложно рассчитать коэффициенты диффузии углеводородных топлив, так как они представляют собой сложную многокомпонентную смесь.

В действующих нормативно-технических документах по категорированию помещений по взрыво- пожароопасности и по расчету паровоздушных концентраций, образующихся в результате испарения ЛВЖ и ГЖ, в основном используются эмпирические зависимости, в которые коэффициент диффузии паров вообще не входит. С помощью них оценивается только конечное состояние паровоздушной среды, которое наступает через длительный промежуток времени. Однако горючие паровоздушные концентрации могут образовываться практически сразу при разливе и испарении ЛВЖ, при эксплуатации аппаратов с переменным уровнем жидкости, температурой и давлением. Затруднения в применении имеющихся моделей для расчета паровоздушных концентраций, с учетом динамики их образования, вызваны отсутствием стандартизованной методики определения коэффициентов 6 диффузии паров ДВЖ и ГЖ в воздухе, особенно для жидкостей сложного состава, что существенно снижает качество прогноза образования взрывоопасных зон при разработке противопожарных мероприятий, проведении пожарно-технических экспертиз и выявлении причин произошедших пожаров.

Проведенный анализ существующих методов показал, что наиболее простым и доступным является экспериментальный метод определения коэффициента диффузии по кинетике насыщения замкнутого объема парами испаряющейся жидкости (метод проф. А. С. Ирисова), который был разработан для исследования процессов испарения в поршневых двигателях, но использовался, в основном, применительно к расчету потерь от испарения в нефтехимической промышленности. Данный метод наряду с достоинствами имеет существенный недостаток, вызванный использованием в расчетной формуле по определению коэффициента диффузии постоянной установки, которой фактически не существует, что сужает область применения метода и существенно снижает точность экспериментальных результатов. Д. т. н., профессором Киселевым Я. С. вместо постоянной установки была предложена модель, в которой учтены геометрические размеры испарительной камеры и введен относительный градиент концентрации паров.

Цель данной диссертационной работы состояла в разработке методики определения коэффициента диффузии паров пожароопасной жидкости в воздухе. За прототип был выбран метод определения коэффициента диффузии по кинетике насыщения замкнутого объема парами испаряющейся жидкости, заключающийся в регистрации избыточного давления в замкнутом объеме во времени, вычислении по полученным данным темпа насыщения, а затем коэффициента диффузии паров.

Предварительные исследования, проведенные на известной лабораторной установке с использованием модели проф. Киселева Я. С., приводили к тому, что отклонения расчетных значений коэффициентов диффузии от справочных составляли 50 % и более. Анализ этого явления показал, что в ходе проведения 7 опытов при испарении жидкости возникают искажающие факторы, основными из которых являются конвективные возмущения, ускоряющие процесс насыщения, и частичная конденсация паров на внутренних стенках замкнутого объема, замедляющая его, а так же влияющие на значение относительного градиента концентрации паров. Данные факторы в принятой диффузионной модели проф. Киселева Я. С. не учитываются, что затрудняет ее применение для расчетов коэффициента диффузии.

На основании предварительных исследований было показано, что конвективные возмущения существенно зависят от высоты паровоздушного пространства и давления насыщенных паров жидкости. Их влияние на известной лабораторной установке исключить не удалось. Однако были определены условия проведения эксперимента, при которых влияние конвективных возмущений на процесс насыщения паровоздушного пространства парами жидкости являлось бы минимальным.

По результатам данных исследований сконструирована и изготовлена модифицированная лабораторная установка, основным ее отличием от ранее существующей явились определенные геометрические размеры испарительной камеры. Основную часть исследований проводили на модифицированной лабораторной установке, основной задачей которых явился поиск оптимальной высоты паровоздушного пространства испарительной камеры, при которой влияние искажающих факторов можно было бы учесть в расчетной формуле по определению коэффициента диффузии паров.

По результатам проведенных исследований найдены оптимальные размеры испарительной камеры и определены условия проведения опытов, при которых конвективные возмущения можно корректно учесть в расчетной формуле через давление насыщенных паров жидкости, а конденсацию -значением относительного градиента концентрации, постоянным для различных жидкостей.

В результате работы разработана методика определения коэффициента диффузии паров жидкостей в воздухе, включающая требования к лабораторной 8 установке, последовательность проведения опытов и порядок обработки экспериментальных данных с помощью ПЭВМ. 9

Заключение

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы: 1. Исследована кинетика насыщения свободного пространства замкнутого объема в испарительной камере лабораторной установки парами испаряющейся жидкости. Показано, что процесс насыщения определяется главным образом молекулярной диффузией паров в воздухе. Искажающими факторами являются конвективные возмущения и частичная конденсация паров на внутренних стенках замкнутого объема. Несмотря на наличие искажающих факторов, процесс насыщения паровоздушного пространства описывается экспоненциальным законом с переменным значением относительного градиента концентрации, входящего в показатель экспоненты.

2. Показано, что конвективные возмущения, ускоряющие процесс насыщения и увеличивающие численное значение относительного градиента концентрации, зависят от давления насыщенных паров, геометрических характеристик испарительной камеры, а также условий проведения опытов. Определены геометрические размеры испарительной камеры и условия проведения опытов, позволяющие корректно учесть конвективные возмущения через давление насыщенных паров.

3. Оценено влияние конденсации паров на стенках испарительной камеры на процесс насыщения замкнутого объема парами испаряющейся жидкости. Показано, что конденсация уменьшает численное значение относительного градиента. Определены условия, при которых относительный градиент для различных жидкостей является величиной постоянной.

4. На основании обобщения результатов исследований разработан способ и устройство, позволяющие определять коэффициент диффузии паров жидкости по кинетике насыщения замкнутого объема парами испаряющейся жидкости.

5. Разработана методика определения коэффициента диффузии предлагаемым способом, включающая последовательность проведения испытаний и порядок математической обработки экспериментальных данных с помощью ПЭВМ.

102

1. НПБ 105-95. Определение категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.

2. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

3. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов.

4. ВНТИ 5-95. Нормы технологического проектирования предприятий по обеспечению нефтепродуктами (нефтебаз).

5. ОНТП 24-86. Общесоюзные нормы технологического проектирования.

6. Алексеев М. В., Смирнов В. С. Пожарная профилактика в технологических процессах, связанных с обращением горючих и легковоспламеняющихся жидкостей. М.: Комхоз, 1955. - 290 с.

7. Загоровский Л. В., Захаров И. Д., Камнев М. Д., Логинов Ф. Л., Тарасова Т. А. Пожарная профилактика в промышленности. М.: Стройиздат, 1972. - 375 с.

8. Алексеев М. В., Волков О. М., Шатров Н. Ф. Пожарная профилактика технологических процессов производств. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1986. - 370 с.

9. Клубань В. С., Петров А. П., Рябиков В. С. Пожарная безопасность промышленности и агропромышленного комплекса: Учебн. для пожарно-технических училищ. М.: Стройиздат, 1987. - 477 с.

10. Алексеев М. В. Основы пожарной профилактики в технологических процессах производств. М.: Высш. шк., 1972. - 338 с.

11. Алексеев М. В., Волков О. М., Исправникова А. Г., Клубань В С,, Савушкина А. Н. Пожарная профилактика технологических процессов производств. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1976. - 293 с.

12. Волков О. М. Пожарная безопасность резервуаров с нефтепродуктами. -М.: Недра, 1984.-251 с.187

13. Волков О. М., Проскуряков Г. А. Пожарная безопасность на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов. М.: Недра, 1981.-256 с.

14. Сучков В. П. Пожарная безопасность при хранении легковоспламеняющихся и горючих жидкостей на промышленных предприятиях. -М.: Стройиздат, 1996, с. 96.

15. Фирш С. Э., Тиморева A.B. Курс общей физики. —М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1956. 463 с.

16. Савельев А. Е. Курс общей физики. -М.: Наука, 1986. 432 с.

17. Ландау JI. Д., Ахизер А.И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. М.: Наука, 1965. - 384 с.

18. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. -М.: Наука, 1990. 591 с.

19. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1976. - 444 с.

20. Киттель Ч. Статистическая термодинамика. Пер. с англ. -М.: Наука, 1977. 336 с.

21. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1990. - 478 с.

22. Демидов П. Г., Саушев В. С. Горение и свойства горючих веществ: Уч. пос. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1975. - 277 с.

23. Ирисов А. С, Испаряемость жидких топлив для поршневых двигателей и методы ее исследования. М.: Гостоптехиздат, 1955. - 325 с.

24. Константинов Н. Н. Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов. -М.: Гостоптехиздат, 1961.-243 с.

25. Абузова Ф. Ф., Черникин В, И. О коэффициенте диффузии паров нефтепродуктов в воздух: сб. тр. /НИИ по транспорту и хранению нефти и нефтепродуктов/, 1961, вып. 1, с. 146-150.

26. Абузова Ф. Ф., Черникин В. И. Коэффициент диффузии паров нефтей и нефтепродуктов в воздух: сб. тр. /НИИ по транспорту и хранению нефти и нефтепродуктов/, 1963, вып. 2, с. 217-224.188

27. Абузова Ф. Ф., Черникин В.И. Потери нефтей и нефтепродуктов от испарения в подземных резервуарах. М.: Недра, 1966. - 290 с.

28. Абузова Ф. Ф. Конвективный теплообмен в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности: уч. пособие. Уфа: Изд. УНЧ, 1991.-72 с.

29. Баратов А. Н., Смольн И. М., Вагмон JI. П. Закономерности формирования локальных паровоздушных взрывоопасных объемов в помещениях: сб. тр. Моск. Хим.-техн. инст. -М.: 1985, с. 63-65.

30. Блинов 3. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей. М.: АНСССР, 1961. - 208 с.

31. Вабенко Ю. И. Тепломассообмен при расчете тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. - 144 с.

32. Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. -408 с.

33. Васин А.Я., Здравчер 3. Н., Влиев Д. М., Милошев М. С. Расчетные методы определения концентрационных пределов воспламенения нефтепродуктов. РЖ №10, 1986 г.

34. Вышенская В. В. Исследование температурной зависимости коэффициентов диффузии газов: а/р дис. Алма-Ата, 1961. 25 с.

35. Вышенская В. В., Косов Н. Д. Исследование температурной зависимости коэффициента диффузии газов. Минск, 1960. - 60 с.

36. Галеев В. Б. Потери нефтепродуктов от испарения и борьба с ними. Обз. инф.-М.: 1970.-53 с.

37. Грю К. Э., Иббс T. JI. Термическая диффузия в газах. М.: Гостехиздат, 1956. 183 с.

38. Исмаилов М. И. К теории пограничного слоя при испарении: а/р дис. Ташкент, АНСССР, 1960. - 30 с.

39. Киселев Я.С. О едином подходе к рассмотрению вопросов тепло- и массообмена в задачах пожарной безопасности судов и других объектов189транспортного комплекса: сб. науч. тр. Проблемы противопожарной защиты судов" М.: ВНИИПО, 1991. 26-39 с.

40. Киселев Я. С., Бушнев Г. В. Исследование процесса насыщения свободного пространства технологического аппарата парами испаряющейся жидкости: мет. указ. к выц. лаб. и курс. раб. СПб, СПбИПБ МВД РФ, 1997. - 27 с.

41. Колесник И. Я. Исследование процессов испарения и конденсационного роста капель: а/р дис. М.: АНСССР, 1971. - 21 с.

42. Колесников И. М. Химическая кинетика в гомогенных и гетерогенных нефтяных системах: уч. пособие -М.: МИНГ, 1987. 125 с.

43. Коффи У. и др. Молекулярная диффузия и спектры (пер. с англ.) М,: Мир, 1987. - 379 с.

44. Мартяшова В. А. Исследование испарения нефтей и нефтепродиктов из резервуаров в условиях интенсификации технологических процессов: а/р дис.-Уфа, 1987.-23 с.

45. Митрофанова Л. И. Физика горения и взрыва. Новосибирск, 1980. -143 с.

46. Монахов В. Т., Граценкова В. Я., Делаева В. А., Красивская М. О. Сравнительный расчет пределов воспламенения паров и газов различными методами: инф. письмо М.: ВНИИПО МВД СССР, 1971. -15 с.

47. Монахов Р. Т. Исследования по унификации методов определения области воспламенения газов и паров в воздухе при атмосферном давлении: а/р дис. М.: 1972. - 27 с.

48. Новоселов В. Ф. и др. Методика расчета потери от испарения нефти и нефтепродуБсгов от испарения из наземных резервуаров и борьба с ними: уч. пос. Уфа.: УНЧ, 1987. - 73 с.

49. Резиба Г. Л. и др. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов (пер. с англ.) М.: Мир, 1980. - 423 с.190

50. Рудобашта С. П., Карташов Э. М. Диффузия в химико-технологических процессах. -М.: Химия, -1993. 453 с.

51. Суетин П.П. Оптический метод измерения коэффициентов диффузии газов. Минск, 1960. - 153 с.

52. Филиппов JI. П. Прогнозирование теплофизических свойств жидкостей и газов. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 167 с.

53. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. -М, Химия, 1961.-458 с.

54. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация (пер. с анкл.) М.: Металлургия, 1966. - 66 с.

55. Физические величины: справочник под. ред. И. С. Григорьева -М.: 1991, Химия. 1232 с.

56. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов: справочник под. ред. М. Д. Тиличеева -М-Л.: Гостоптехиздат, 1951, 3,4,6 том.

57. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости: справочник под. ред. Н. А. Тарасова-Агалкова, -М.: АНСССР, 1956. 111 с.

58. Варгафтик Н.В. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Недра, 1972. 450 с.

59. Баратов А.Н., Корольченко Г.Н., Кравчук и др. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ, пос. в 2-х книгах. -М.: Химия, 1990. 496 е., 384 с.

60. Варгафтик Н. В. Справочник показателей качества химических реактивов. -М.: Химия, 1968.- 150 с.

61. Василевская Ю. Д. Исследование коэффициента диффузии системы "Пары топлива Т-5 воздух". - Труды Моск. авиац. ин-та, 1961, вып. 132, с. 144-160.

62. Василевская Ю. Д. Коэффициенты диффузии бинарных смесей паров некоторых углеводородов с воздухом. — в кн. Тепло- и массоперенос, т. 1: Минск, АН БССР, 1962, с. 191-195.191

63. Денисова Т. Б., Кишиневский М. X. Экспериментальное определение коэффициентов молекулярной диффузии. в кн.: Материалы докл. 1-й научно-техн. конфер. Кишиневск. политехи, ин-та. - Кишинев, 1965, с. 77-78.

64. Косов Н. Д., Курлапов Л. И., Богатырев А. Ф. Стационарный метод измерения истинных коэффициентов диффузии. в кн. Физика (сб. трудов соискателей и аспирантов МВ и ССО КазССР), вып. 4, - Алма-Ата, 1969, с. 30-37.

65. Косов Н. Д., Мартынова Г. П. Влияние времени установления квазистационарной диффузии на точность определения коэффициента диффузии. в кн.: Нек. вопросы общей и прикл. физики, - Алма-Ата, Наука, 1966, с. 105-108.

66. Косов Н. Д., Сармасаев М. Т. Нестационарный диффузионный бароэффект. в кн. Физика (сб тр. аспир. и соиск. МВ и ССО КазССР), вып. 4, - Алма-Ата, 1969, с. 63-67.

67. Кричевский И. Р., Хазанова Н. Е., Лесневская Л. С. Об уравнении диффузии Фика. -Инж. физ. 1962, т. 5, №2, с. 101-103.

68. Курлапов Л. И., Косов Н. Д. Стационарный метод определения коэффициента взаимной диффузии газов. в кн. Физика (сб. ст. соиск. и аспир. МВ и ССО КазССР), 1968, вып. 3, с. 224-230.

69. Лозгачев Ю. Т. Метод изотопного обмена для определения давления насыщенного пара и коэффициента диффузии. Ж. физ. химии., 1961, т. 35, №10, с. 2199-2209.

70. Мазуренко Ю. Т. О свойствах переноса газообразных предельных углеводородов. Ж. физ. химии., 1966, т. 40, вып. 6, с. 1177-1181.

71. Нафиков Э. М., Усманов А. Г. Измерение коэффициентов диффузии паров некоторых предельных углеводородов. Изв. высш. учеб. заведений: Химия и хим. технология, т. 9, № 6,1966, с. 991-992.192

72. Нафиков Э. М., Усманов А. Г. Подобие процессов молекулярной диффузии газов и паров. сб. тр. Казанск. хим. - технол. ин-т, 1964, вып. 32, с. 17-22.

73. Лыков А. В. Теория сушки: учебн. пос. для ВУЗов Изд. 2-е перераб. и доп. -М.: Энергоиздат, 1968, 472 с.

74. Киселев Я. С., Киселев Н. Я. Методические указания по обработке экспериментальных данных способом наименьших квадратов в лабораторных, курсовых и дипломных работах. СПб.: ВПТШ МВД РФ, 1992. -17 с.

75. Ирисов А. С. Инструкция по методике определения скорости статического испарения топлива. -М.: Стандартгиз, 1934, 15 с.

76. Ирисов А. С., Панютин Н. С. Таблица физико-химических констант углеводородных и моторных топлив. М.: Стандартгиз, 1934, - 24 с.

77. Ирисов А. С., Мешков К. В. Испаряемость моторных топлив. М.: Гостранстехиздат, 1937, - 112 с.

78. Горюнова Н. А., Кувшинский Е. В. Определение коэффициентов диффузии в воздух паров циклогексана, хлороформа и ацетона: Ж. техн. физ.,№11, 1948.

79. Дерягин Б. В., Прохором П. С., Малкина А. Д. Новые диффузионно-манометрические приборы для измерения КД испаряемости и содержания паров различных жидкостей в атмосфере: Ж. физ. химии, т. 24. вып. 4, 1950.

80. Stefan J. Wien. Вег. (2), 1871, т. 63,63; 1872, т. 65,323; 1878 т. 78, 957; 1879, т. 80, 161; 1889, т. 98.1418; Ann. d. Phys., 1890, т. 41,725.

81. Winkelmann А. Ann. d. Phys. n. 22, 1 и 152; т. 23,203,1884; т. 26,105, 1885; т. 33, 445, 1888; т. 36, 93, 1889.

82. Звонов В. С., Акимов М. Н., Кузьмин А. А. Основные понятия метрологии и методические указания по обработке результатов измерений. Л.: ВПТШ МВД СССР, 1990, - 50 с.193

83. Ахназарова С. Л., Кафаров В. В. Метооды оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высш. шк., 1985, - 38 с.

84. Налимов. В. В., Чернова И. А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1965, 135 с.

85. Крылов Г. В., Розенблит М. С. Практикум по методологии научных исследований. -М.: Лесотехн. инст., 1981, 29 с.

86. Гуров С. В. Планирование и статистическая обработка результатов эксперимента. СПб, Лесотехн. академия, 1994, - 32 с.

87. ГОСТ 1756-52. Методы определения давления насыщенных паров.