Диссертация (1172857), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Поэтому условие перехода разветвленного цепного процессаокисленияокисиуглеродавцепнойвзрывбудетвслучаегорениягалогенсодержащих соединений приближенно описываться тем же выражением(8.76).Заметим, что решение уравнения (8.76) зависит от концентрации молекулН2 и Н2О на границе зоны реакции и предпламенной зоны. При горениигалогенсодержащих соединений с большим относительным содержанием атомовF и Cl в молекуле образование Н2 и Н2О затруднено в следствие наличияконкурирующих процессов окисления водорода атомами галогенов до HF и HCl.Этот эффект может привести к повышению значения критической температуры.Однако наличие в исходной смеси водородосодержащих добавок приведет кобразованию в предпламенной зоне дополнительных молекул Н2 и Н2О, которыевлияют на величину критической температуры.
Поскольку значение Ткроднозначно определяет величину НКПР, то следует ожидать, что наличие висходной смеси водородосодержащих добавок может повлиять на ее значение.Так как наличие органических примесей в экспериментах по определению313пределов воспламенения не всегда строго контролируется, возникает большойразброс в величинах пределов воспламенения галогенсодержащих соединений,полученных разными авторами.Проследим влияние рассмотренного выше эффекта на величину нижнегоконцентрационного предела воспламенения хлористого метилена CH2Cl2.
Нарисунке 8.44 представлена зависимость величины НКПР этого вещества отсодержания в исходной смеси паров воды, рассчитанная на основании условия(8.76) и данных по теплоте сгорания CH2Cl2. С увеличением содержания паровводы происходит заметное снижение нижнего концентрационного пределавоспламенения хлористого метилена. График, представленный на рисунке 8.44,носит в основном качественный характер (например, не учтено увеличениетеплоемкостисмесипривведениипаровводы),однакооннагляднодемонстрирует важность учета влияния небольших водородосодержащих добавокнапределывоспламенениягалогенсодержащихсоединенийсбольшимотносительным содержанием атомов F и Cl в молекуле.Рисунок 8.44 – Зависимость НКПР хлористого метиленаот концентрации паров водыДля качественного сравнения укажем, что значение НКПР для хлористогометилена с добавкой 0,5 % (об.) метанола составляет 17 % (об.) [250].
Указанная314выше добавка метанола приведет к образованию в зоне горения водяных паров вколичестве ~ 1 % (об.). Значение НКПР для CH2Cl2, взятое из графика дляотносительной концентрации водяного пара 1 % (об.), составляет ~ 13 % (об.), т.е.наблюдается неплохое согласие расчета и эксперимента.Таким образом, в настоящем разделе работы проанализирован механизмпромотирования горения фтор- и хлорсодержащих соединений в воздухедобавками органических веществ и парами воды. Следует отметить, что этотмеханизм не сводится к простому увеличению теплоты сгорания смеси, а являетсяследствием эффекта промотирования горения окиси углерода, образующейся впервой стадии процесса горения, водородосодержащими добавками.315ГЛАВА 9 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГАЗОВЫХ ИВОДЯНЫХ ЗАВЕС НА ОГРАНИЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГОРЮЧИХГАЗОВ И ПАРОВ9.1 Расчетная оценка параметров рассеяния проливов сжиженногоприродного газа на твердую поверхностьСжиженный природный газ (СПГ) находит в последнее время все болееширокое применение в различных отраслях промышленности и транспорта.
В тоже время технологические процессы с участием СПГ характеризуются высокимуровнем пожарной опасности, что подтверждается имевшими место в различныхстранах пожарами и взрывами [51, 293, 294]. Одной из наиболее типичныхаварийных ситуаций на объектах с наличием СПГ является пролив продукта, егорастекание и образование взрывоопасного газопаровоздушного облака. Несмотряна то, что молярная масса метана, являющегося основным компонентом СПГ,почти вдвое ниже молярной массы воздуха (16 г/моль для CH4 и 29,5 г/моль длявоздуха), вследствие низкой температуры испаряющегося продукта (температуракипения жидкого метана составляет 111,5 К [295]) пары СПГ имеют значительноболее высокую плотность по сравнению с плотностью воздуха при температуреокружающей среды.
По мере нагревания разлитого жидкого метана плотность егопаров становится равной плотности воздуха и при дальнейшем нагреваниипродолжает снижаться. Образующееся при испарении жидкого метана облаковследствие сравнительно небольшой разницы в плотности метановоздушнойсмеси и воздуха может достаточно длительное время в виде полусферы зависатьнад местом выброса [295]. При этом одним из наиболее важных параметров,определяющих уровень пожаровзрывоопасности проливов СПГ, является размер316образующейся взрывоопасной зоны, определяемый по достижению нижнегоконцентрационного предела распространения пламени (НКПР).Проблема расчетного определения размеров взрывоопасного облака легкогогаза (т.е.
газа, имеющего более низкое значение молярной массы по сравнению своздухом) при его испарении из пролива жидкости с низкой температуройпосвящен ряд работ (см., например, [51, 293 – 298]). Как правило, для этогоиспользуют систему уравнений Навье- Стокса (например, [296– 298]). В то жевремя имеются и простые полуэмпирические корреляции для определениярасстояния от места пролива СПГ до границы облака по уровню концентрацииметана, соответствующей НКПР [295]:L = 7,8∙M0,4,(9.1)где L – расстояние, м;M – масса пролитого СПГ, кг.Указаннаяформулаявляетсявесьмаприближенной,поэтомудляобоснованной оценки опасностираспространения облака паров СПГ требуетсяболее точная методика.В настоящее время для расчетов температурного режима пожара на основеуравнений Навье- Стокса используется компьютерный код FDS 5, нашедшийширокое применение в различных странах мира.
Представляет интересисследовать возможность примененияданногокомпьютерногокода длянепрофильной для него на первый взгляд задачи – оценки размера взрывоопаснойзоны, образующейся при испарении проливов СПГ. Решению данной задачипосвящен настоящий раздел.3179.1.1 Методика расчета распространения облаков СПГ в атмосфереРасчет распространения облаков сжиженного природного газа (СПГ)проводился с помощью модели вычислительной гидродинамики, реализованной впрограммном коде FireDynamicSimulatorVersion 5 (FDS 5). Указанная модель вчисленном виде решает систему уравнений Навье- Стокса, замкнутую уравнениемсостояния идеального газа, для низкоскоростного потока газа, перемещающегосяв пространстве за счет неоднородностей полей температур и концентраций.Расчетная область представляет собой прямоугольный параллелепипед соснованием шириной a = 1000 м и длиной b = 1000 м, высота расчетной областисоставляет h = 300 м.
Расчетная область поделена на ячейки таким образом, чтобыодна ячейка представляла собой куб со стороной 5 м. В результате получаем, чтов расчетной области содержится 2 400 000 ячеек. Отметим, что указанный размерячейки выбран из соображения минимизации времени расчета при сохранении егоудовлетворительнойточности.Разумеется,выбранныйразмерячейкинедостаточен для моделирования с удовлетворительной точностью процессов,протекающих в непосредственной близости от места пролива СПГ. Тем не менее,в настоящей работе стоит задача определения концентраций природного газа нарасстояниях, значительно превышающих размеры пролива, и в данном случаевыбранный размер ячейки не сказывается принципиально на результатах расчета.При задании исходных данных в коде FDS 5 предполагалось, чтоохлажденный до температуры кипения метан поступает в окружающеепространство с интенсивностью, приведенной в работе [295, рисунок 4] на основеопубликованных экспериментальных данных.Масса поступившего в окружающее пространство СПГ, площадь пролива, атакже скорость ветра в окружающем пространстве были взяты из данных,представленных в разделе 7.7.5 [51].
Концентрации метана определялись вдоль ипротив ветра, в положительном и отрицательном направлении поперек ветра на318расстояниях 250 м, 300 м и 350 м соответственно от центра пролива уповерхности земли.Пролив СПГ в количестве 10-18 тонн в экспериментах [51] проводился наповерхность озера диаметром 58 м с расходом 5-8 т/мин при скорости ветра 1,8 –9,1 м/с.В рамках численной модели, реализованной в программном коде FDS 5,скорость ветра одинакова по пространству и не зависит от расстояния отповерхности земли.9.1.2 Результаты расчета и их обсуждениеИсходные данные для расчетов и результаты определения размероввзрывоопасных облаков по направлению ветра приведены в таблице 9.1 на основеэкспериментальных данных [51].Таблица9.1–Максимальныерасстояниядостижениянижнегоконцентрационного предела распространения пламени (НКПР) в направленииветра№опыта1234Объемпролитогопродукта,м334,039,428,424,2Массапролитогопродукта,тонн16,018,513,411,4Скоростьветра, м/c5,4±1,88,4±1,21,8±0,35,7±0,7Максимальное расстояние достиженияНКПР, мРасчет по РасчетпоформулеЭкспериментFDS 5(9.1)255300380200350400420275350325250330319Типичные зависимости концентраций метана от времени на различныхрасстояниях от места пролива СПГ в направлении ветра и в направлении,перпендикулярном ветру, представлены на рисунках 9.1 – 9.4.а)б)Рисунок 9.1 – Зависимость концентрации метана от времени на различныхрасстояниях от места пролива СПГ в опыте № 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
