Разработка экспериментального стенда для оценки интенсивности испарения углеводородных жидкостей

А. А. КИРШЕВ, адъюнкт факультета подготовки научно-педагогических кадров Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ

УДК 621.642.3.033.004.55

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСПАРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Проведена оценка интенсивности испарения углеводородных жидкостей при экспериментальных исследованиях способов подготовки резервуаров нефтегазового комплекса к ремонту путем принудительной вентиляции воздухом горючих газов во внутреннем пространстве резервуаров. Ключевые слова: очистка; ремонтные работы; огневые работы; резервуар; вентиляция.

Проблемам безопасности объектов нефтегазового комплекса уделяется особое внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти. При этом одним из актуальных вопросов является обеспечение защиты людей и территорий от воздействия опасных факторов, реализуемых при чрезвычайных ситуациях (ЧС) на складах нефти и нефтепродуктов [1].

Для оценки пожарной опасности необходимо знать интенсивность испарения углеводородсодер-жащих жидкостей. Аналитически интенсивность испарения может быть определена по расчетным формулам, приведенным в нормативных документах [2, 3].

Изучение закономерностей турбулентного переноса паров нефтепродукта и конвективного массо-обмена в газовом пространстве технологических аппаратов при вентилировании потребовало разработки и создания специального стенда, основным элементом которого является цилиндрический сосуд. Создание экспериментального стенда вызвано необходимостью исследования влияния масштаба модели на интенсивность процессов конвективного массообмена.

Как известно, при моделировании вентиляционных процессов применяется число Рейнольдса Яе. Многочисленными исследованиями установлено, что в подавляющем большинстве случаев вентиляционным процессам присуща автомодельность по отношению к числу Яе при сохранении геометрического подобия на входе и в стоке [4].

При моделировании процессов вентиляции необходимо соблюдать следующие условия [4]:

1) геометрическое подобие;

2) Яеп > 2320 в турбулентной области;

3) равенство чисел подобия в модели и натуре.

Как показали исследования [4, 5], определяющим числом подобия, позволяющим установить

связь между расходом, кратностью, воздухообменом и перепадами концентраций в характерных точках, может быть принят комплекс:

v2 Р

где g — ускорение свободного падения, м/с2; I — характерный линейный размер, м; V — скорость воздуха, м/с; Ар — разность плотностей газовоздушной смеси между двумя точками, кг/м3; р — плотность воздуха, кг/м3. Так как в модели и натуре должно соблюдаться равенство чисел подобия, комплекс (1) можно записать в виде

glм АРм = АРн

2 р 2 р '

где индексы мин означают соответственно модель и натурный объект.

Если считать, что при использовании в модели и натуре жидкости с одинаковыми свойствами Арм /(Арн) = 1, то при соблюдении равенства плот-

ностей воздуха в модели и натуре

ЛРм Рн

= 1, асо-

ЛР н Р м

отношение (2) примет вид равенства чисел Фруда:

Fr = gl/v2 = idem.

Из равенства чисел Фруда в модели и натуре следует:

м J

V п l м

vM=j 1м =vm

1 н

где V н, V м — скорость приточного воздуха соответственно в натуре и модели, м/с; т — коэффициент подобия.

© КиршевА. А., 2013

м

н

п

Геометрическое подобие предполагает следующее соотношение:

l м

( j м у/2 f п

fн

п

(-

\1/2

F н

VF и J

1/3

/М гН "

п , } п —площадь приточных отверстии соответственно в модели и натуре, м2;

^м гн

и , ги — площадь испарения соответственно в модели и натуре, м2;

¥и, ¥н — объем резервуара соответственно в модели и натуре, м3.

Скорость приточноИ струи уп связана с расходом q, кратностью Кр и энергиеИ приточноИ струи еп следующими соотношениями:

q = Jn vn, V

K = q = fn vn ,

K p v V '

2 f з

P = К vn = fnvп

Б п K p 2 2 V

Последовательно подставив (6), (7), (8) в (4), с учетом соотношения (5) получим:

q м = q н т

2 Г

Ыт;

мн

Кр = Кр т

- 0,5.

s„ = б„ т

0,5

При моделировании процессов вентиляции, в которых имеет место интенсивное уменьшение концентраций и отсутствует тепловыделение, обычно комплексом (1) пренебрегают, а в качестве определяющего явление подобия принимают число гомо-хронности Но [6].

В процессе дегазации резервуаров отсутствуют избытки тепла, поэтому при моделировании процессов вентиляции, по-видимому, можно принять Ho = idem. Равенство чисел гомохронности предполагает:

l м

l н

где тн, тм — время вентиляции соответственно в натуре и модели, с. При условии тм = тн получим:

Учитывая соотношения (6), (7), (8) и условие геометрического подобия (5), будем иметь:

qu

3

q т ;

К рм = К рн

б п = Б п т

V 15 ь)

^ 1

___________________ 14

16

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — резервуар (ЭР); 2 — линия удаления паров; 3 — поливиниловые трубки для отбора проб на газовый анализ; 4 — разбавитель (РП-1); 5 — газоанализатор универсальный "ГАНК-4"; 6—кабель для подключения к ПЭВМ; 7—сорб-ционный фильтр (ФС-1); 8 — линии подачи воздуха; 9 — ПЭВП; 10 — ротаметр; 11 — клапан сброса избыточного давления воздуха; 12 — воздуходувка (вентилятор); 13 — электронные весы "AND EK-1200i"; 14 — емкость с нефтепродуктом; 15 — тройник; 16 — штатив

Таким образом, для получения достоверных данных на натуре необходимо установить связь плотности потока массы и концентрациИ в сходные моменты времени при различных масштабах моделеИ.

В испытаниях применялся экспериментальный резервуар (ЭР), изготовленный из органического стекла толщиноИ 3 мм в виде вертикального цилиндрического сосуда. ЭР конструктивно представляет собоИ сосуд, геометрически подобныИ РВС-5000, но выполненныИ в масштабе 1:17. Эксперименты проводились при постоянноИ производительности вентилятора. Принципиальная схема эксперимен-тальноИ установки представлена на рис. 1.

При проведении опытов на ЭР замеряли концентрации паров горючего в газовом пространстве резервуара и в удаляемоИ газовоздушноИ смеси. Для этих целеИ использовали прибор газового анализа "ГАНК-4".

Газоанализатор "ГАНК-4" предназначен для автоматического непрерывного контроля концентрациИ вредных веществ в атмосферном воздухе, воздухе рабочеИ зоны, промышленных выбросах при отборе проб во фторопластовые емкости с использованием разбавителя, а также в технологических процессах в целях охраны окружающеИ среды, обеспечения безопасности труда и оптимизации технологических процессов [7].

Принцип деИствия газоанализатора со встроенными датчиками основан на следующих методах измерениИ:

• электрохимическом (СО, 02, Н2 и др.);

• термокаталитическом (СН4, гексан и др.);

• полупроводниковом (стирол, бензол и др.).

Работа газоанализатора осуществляется в автоматическом режиме. Насос подает через входноИ

и

м

=т

l

н

н

v м х

пм

н

п

Рис. 2. Блок-схема работы газоанализатора "ГАНК-4": К — кнопка набора кода; П — кнопка пуска

штуцер газоанализатора анализируемый воздух на датчик. При измерении концентраций анализируемый воздух поступает через входной штуцер на датчик. Не более чем через 20 с сигнал поступает в вычислительное устройство, которое преобразует его и выдает на жидкокристаллический индикатор-дисплей (ЖКИ) в виде значения текущей (Стек) и средней (Сср) концентраций (в мг/м3).

На рис. 2 представлена блок-схема работы газоанализатора "ГАНК-4".

Для изучения особенностей процесса массооб-мена проведены экспериментальные исследования по оценке интенсивности испарения различных жидкостей (в том числе с водой). На рис. 3 представлены зависимости средней интенсивности испарения однокомпонентной жидкости — толуола и многокомпонентной жидкости — бензина от времени при вентиляции экспериментального резервуара.

Однокомпонентная жидкость Многокомпонентная жидкость

10 15 20 Время, мин

Рис. 3. Зависимость интенсивности испарения однокомпо-нентной и многокомпонентной жидкостей от времени

Из полученных результатов исследований видно, что данная экспериментальная установка позволяет оценивать интенсивность испарения углеводородных жидкостей в подвижную среду.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Назаров В. ^.Обеспечение пожаровзрывобезопасности при ликвидации аварий и ЧС на объектах транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов // Актуальные проблемы пожарной безопасности : матер. ХХ1Междунар. науч.-практ. конф. Часть 1. — М.: ВНИИПО, 2009. — С. 166-169.

2. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрыво-пожарной и пожарной опасности : приказ МЧС России от 25.03.2009 г. № 182; введ. 01.05.2009 г. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

3. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах : приказ МЧС России от 10.07.2009 г. № 404; введ. 10.07.2009 г. — М.: ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

4. Волков О. М., Назаров В. П., Шатров Н. Ф. Моделирование процессов вентиляции резервуаров // Труды ВИПТШ МВД СССР, вып. 4. — М., 1979. — С. 53-61.

5. Кун М. Ю. Исследование воздухообмена на модели в помещении газов тяжелее воздуха // Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС, № 47. — М., 1967. — С. 21-32.

6. Эльтерман Е. М.Динамика испарения растворителей с окрашенных поверхностей // Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС, вып. 70. — М., 1971. — С. 9-12.

7. Руководство по эксплуатации КПГУ 413322 002 РЭ. Версия V 8.21. Газоанализатор универсальный ГАНК-4. — М. : НПО "Прибор", 2004. — 28 с.

Материал поступил в редакцию 15 августа 2013 г.

— English

DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL STAND TO ESTIMATE THE EVAPORATION RATE OF HYDROCARBON LIQUIDS SUMMARY

KIRSHEV A. A., Postgraduate Student, Department of Academic Staff Training of State Fire Academy of Emercom RF

ABSTRACT

The problems of safety of oil and gas facilities receive much attention both on legislative and executive levels. One of the acute issues is the protection of people and territories against dangerous factors caused by emergency cases at oil depots. To assess fire safety it is required to know the evaporation rate of hydrocarbon liquids.

The article is devoted to the development of an experimental stand to estimate the evaporation rate of combustible and flammable liquids. Such an experimental model is required because it is essential to study the influence of a model on convective mass transfer rates.

Complying with the conditions of ventilation modeling, an experimental tank has been created in order to estimate the evaporation rate of oil products while preparing oil and gas storage tanks for repair works by using forced air ventilation to remove combustible gases from the inside of the tanks. This experimental tank is a vertical cylindrical vessel made of organic glass of 3 mm length. The construction of this tank is similar to a vertical 5000 m3 cylindrical steel tank. The scale model is 17 times smaller than the industrial tank.

One of the conditions for the experiment was the constant air flow from the fan. The article contains a fundamental scheme of the experimental stand.

During the experiment the concentration of fuel vapours inside the tank and in the gas-air mixture was measured. This was done using gas analyser GANK-4.

GANK-4 is used for the constant automatic control of the concentration of hazardous substances in the atmosphere, in the working area, in industrial waste when samples are taken and put into fluoroplastic containers together with a diluent. It is also used in technological processes to protect the environment, to guarantee workplace safety and to optimise technological processes. The article contains a block diagram of GANK-4 gas analyser.

In order to study the details of mass transfer experimental research has been conducted to estimate the evaporation rate of different liquids including water. The article contains a graph showing changes of the evaporation rate of a single-component liquid and multi-component hydrocarbon liquids while ventilating the experimental tank.

The results of the research suggest that the experimental stand can be used to estimate the evaporation rate of hydrocarbon liquids.

Keywords: cleaning; repair works; fire works; tank; ventilation.

REFERENCES

1. Nazarov V. P. Obespecheniye pozharovzryvobezopasnosti pri likvidatsii avariy i ChS na obyektakh transporta i khraneniya nefti i nefteproduktov [Securing fire and explosion safety during breakdown and emergencies elimination at oil storage and oil transportation facilities]. Aktualnyyeproblemypozharnoy bezopasnosti. Materialy XXI Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii [Acute problems of fire safety. Materials of the 21st international scientific conference]. Part 1. Moscow, All-Russian Research Institution for Fire Protection Publ., 2009, pp. 166-169.

2. Set ofrules 12.13130.2009. Definition ofcategories ofrooms, buildings and outdoorfacilities forfire and explosion hazards. Moscow, All-Russian Research Institution for Fire Protection Publ., 2009 (in Russian).

3. Technique of determination of settlement sizes offire risk on production objects. Order of Emercom of Russia on 10.07.2009 No. 404. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2009 (in Russian).

4. Volkov O. M., Nazarov V. P., Shatrov N. F. Modelirovaniye protsessov ventilyatsii rezervuarov [Modeled processes of tanks ventilation]. Trudy VIPTSh MVD SSSR [Works of Higher School of Engineering and Fire Service]. Issue 4. Moscow, 1979, pp. 53-61.

5. Kun M. Yu. Issledovaniye vozdukhoobmena na modeli v pomeshchenii gazov tyazheleye vozdukha [The research of air exchange in the premises with gases which are heavier than air in the model]. Nauch-nyye raboty institutov okhrany truda VTsSPS [Academic papers of the USSR Trade Unions institutions for workplace safety]. Issue 47. Moscow, 1967, pp. 21-32.

6. Elterman E. M. Dinamika ispareniya rastvoriteley s okrashennykh poverkhnostey [The evaporation rate of diluents from painted surfaces]. Nauchnyye raboty institutov okhrany truda VTsSPS [Academic papers of the USSR Trade Unions institutions for workplace safety]. Issue 70. Moscow, 1971, pp. 9-12.

7. Rukovodstvo po ekspluatatsii KPGU 413322 002 RE, versiya V 8.21. Gazoanalizator universalnyy GANK-4 [Operating manual KPGU 413322 002 RE, version V 8.21. Gas analyser GANK-4]. Moscow, Pribor Publ., 2004. 28 p.

Издательство «П0ЖНАУКА»

А. Я. Корольченко, 0. H. Корольченко

СРЕДСТВА ОГНЕ- и БИОЗАЩИТЫ

Изд. 3-е, перераб. и доп. - 2010. - 250 с.

В третье издание внесены существенные изменения: включена глава, посвященная механизму огнебиозащиты древесины, расширена глава по анализу требований, содержащихся в нормативных документах по средствам огнезащиты, и их применению в практике строительства. Приведена информация ведущих производителей средств, предлагаемых на отечественном рынке для огнезащиты: древесины (пропитки, лаки и краски), несущих металлических конструкций (средства для конструктивной огнезащиты, огнезащитные штукатурки, вспучивающиеся покрытия), воздуховодов, кабелей и кабельных проходок, ковровых покрытий и тканей. Представлены также биозащитные составы для древесины.

Информация о средствах огне- и биозащиты вкючает данные о рекомендуемых областях их применения, эффективности, технологии нанесения, организациях-производителях.

Издание предназначено для работников проектных организаций, специалистов в области огне- и биозащиты и пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru

ВНИМАНИЕ! Распространяется БЕСПЛАТНО!

Средства огне- и йиозэщиты

i? i' Iii

lis! wm