Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 77 )

Рис. 11.11. Моделирование теплового взрыва: а – кинетический эксперимент; b – изменение максимальной температуры во времени (1 – вещество в контейнере, 2 - вещество без оболочки); с – температурный профиль, вешество в контейнере.

Моделируется поведение вещества в цилиндрическом контейнере (диаметр 1 м, высота 1 м) с оболочкой толщиной 2 см. Теплопроводность вещества λ = 0.2 W/m/K, материал стенок оболочки – практически термоизолятор: λ = 0.01 W/m/K.

Моделирование выполняется с целью ответа на 2 вопроса:

какова опасность теплового взрыва; каково влияние на тепловой взрыв оказывает оболочка.

Рис.11.11b показывает, что в данных условиях саморазогрев вещества без оболочки практически не происходит. Наличие оболочки резко меняет картину, приводя к интенсивному саморазогреву. Рис.11.11с дает детальную картину развития процесса во времени.

11.4.3. Моделирование синергизма влияния химических реакций на тепловой взрыв

Приводимый ниже пример иллюстрирует общую закономерность в развитии теплового взрыва при наличии в системе двух независимых экзотермических реакций: при параллельном протекании реакций с различными тепловыми эффектами и энергиями активации тепловой взрыв может реализоваться при меньших разогревах системы и больших скоростях теплоотвода. Подробно случай двух реакций первого порядка, используя стационарный подход Семенова, аналитически рассмотрен в [25].

Рис. 11.12. Синергетический эффект при тепловом взрыве при наличии двух параллельных реакций: а – тепловой взрыв единичных реакций; b – тепловой взрыв при совместном протекании реакций.

Рис.11.12 иллюстрирует результаты численного моделирования развития теплового взрыва в системе при наличии двух независимых реакций n-го порядка. Моделируется тепловой взрыв в сфере с диаметром 40 см. Одна из реакций имеет большой тепловой эффект (700 дж/г) в сравнении с другой (300 дж/г). Их энергии активации соответственно 70 и 110 кж/моль. При раздельном протекании реакций тепловой взрыв отсутствует (рис11.12а). При их совместном протекании имеет место тепловой взрыв (рис11.12b) В данном случае мы наблюдаем термический синергизм – первая реакция обеспечивает первичное тепловыделение за счет которого возникает разогрев при котором энергетический потенциал второй реакции обеспечивает возникновение теплового взрыва

Список литературы к главе 11

Кафаров, анализ процессов химической технологии. Топологический принцип формирования. / , . - М.: Наука, 1979. - 394 с. Гумеров, Ас. М. Математическое моделирование химико—технологических процессов: Учебное пособие / Ас. М. Гумеров, , Аз. М. Гумеров и др. – Казань: Казан. гос. технол. ун-т. 2006. – 216 с. Арис, Р. Анализ процессов в химических реакторах. / Р. Арис. – Л.: Химия, 1989. – 327 с. Кафаров, кибернетики в химии и химической технологии. / . – М.: Химия, 1985. – 468 с. Амосов, технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учебн. пособ. / Под научной редакцией . / , , . — М.: Машиностроение, 2007. — 567 с. Лопанов, процессы / . – Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. – 244 с. Рекомендации по перевозке опасных грузов. Руководство по испытаниям и критериям. Пятое изд.: ST/SG/AC.10/11/Rev. 5. – Женева: ООН. 2009. – 454 с. Мержанов, взрыв взрывчатых веществ и порохов: Препринт / , . – Черноголовка: Ин. - т Химической физики РАН СССР, 1979. - 44 с. Семенов, Н. Н. К теории процессов горения. / // ЖРФХО, ч. физ. – 1928. - Том 60 №3. - С. 241-250. Барзыкин, В. В., Теория теплового взрыва [Электронный ресурс] Режим доступа: www. ism. ac. ru/sgv/rtf/113.rtf (Дата обращения: 14.05.2011) Хитрин, горения и взрыва / . - М.: МГУ, 1957. - 450 с. Баум, взрыва. / , , . - М.: Гос. изд. физ. – мат. литературы, 1959. – 800 с. Мержанов, состояние теории теплового взрыва. / , . // Успехи химии. – 1966. – Том 35, вып.4. – С. 656 – 683. Франк – Каменецкий, и теплопередача в химической кинетике: изд.2. / -Каменецкий - М. Наука,1967. - 491 с. HarsNet Working Group. HarsBook: A technical guide for the assessment of thermal hazards in highly reactive chemical systems — DECHEMA, 2002. –p. 131 Худяев, характеристики теплового взрыва самоускоряющихся реакций / // Научно технические проблемы горения и взрыва. — 1965. — №1.— С. 70—75 Kossoy, А. А. Evaluating Thermal Explosion Hazard by Using Kinetics—based Simulation Approach. / A. A. Kossoy, I. Ya. Sheinman. // Process Safety and Envir. Protection. Trans IchemE. (Special Issue: Risk Management) - 2004. - Vol. 82, Issue B6. - Р. 421—430. Misharev, P. Methodology and Software for Numerical Simulation of Thermal Explosion. / P. Misharev, A. Kossoy, A. Benin. // Process Safety and Environmental Protection. Trans IChemE. — 1996. — Vol. 74, part B. — P. 17—23. Шкадинский, моделирование процессов горения и взрыва. В сб. "Концепция развития горения и взрыва как области научно – технического прогресса", под ред. . Научный совет по горению и взрыву РАН СССР, Черноголовка, 2001 [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www. ism. ac. ru/sgv/soderzh. html (Дата обращения: 11.09.2011) Gustin, J. L. Runaway reaction, their courses and the methods to establish safe process conditions. / J. L. Gustin. // J. Phys. III France. – 1991. –Vol.1. – Р. 1401 – 1419. Шейнман, моделирование тепломассообмена при анализе термической опасности хранения и транспортировки реакционноспособных конденсированных веществ. Диссерт. канд. техн. наук, СПБ, 2005, 157 с. Kossoy, A. Evaluating thermal explosion hazard by using kinetics—based simulation approach. / A. Kossoy, I. Sheinman. // Process Safety and Envir. Protection. Trans IChemE. — 2004. — Vol.82, issue B6. — P. 421—430. Теория теплопроводности. / . - М.: Высшая школа, 1967. - 600 с. Теплопередача. / , , . - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с. , , Особенности теплового взрыва с параллельными реакциями. / , , // Физика аэродисперсных систем. – 2003. - вып.40. – С. 64—70с.

Глава 12. Моделирование теплового взрыва резервуаров с реакционноопасными жидкими веществами

12.1. Введение в проблему

Настоящая глава написана на основании материалов кандидатской диссертации, трагически погибшей [1]. Диссертация выполнена под научным руководством автора настоящей книги.

Реакционноопасные жидкие вещества и смеси находят широкое практическое использование в промышленности. Разнообразные органические перекиси применяются в качестве инициаторов полимеризации и сшивающих агентов при производстве пластических масс и каучуков, используются в качестве компонентов моющих средств. В огромных масштабах производятся и используются мономеры, способные к реакциям самополимеризации с выделением тепла (этилен, окись этилена, метилметакрилат и многие другие), перекись водорода, широкий спектр различных органических полупродуктов, обладающих термической опасностью и т. д.

Целевые объекты, в которых используются реакционноопасные жидкости весьма разнообразны: объекты хранения и транспорта, баки двигателей различного назначения, химические реактора и другие химико – технологические объекты, объекты ракетно – космической и другой специальной техники и т. д. Общим для всех таких объектов является то, что в них жидкость находится в условиях замкнутого резервуара при отсутствии вынужденных потоков, перемещающих жидкость. Здесь мы не рассматриваем целевые объекты типа различных трубопроводов и технологических устройств для перемещения жидкостей (насосов и т. д.), по которым или с помощью которых транспортируются жидкости, технологические установки в которых осуществляются процессы ректификации и дистилляции и т. д. Термическая безопасность таких объектов представляет собой отдельную проблему, связанную с возможным воздействием сил трения, вызывающих разогрев жидкости, процессами испарения и конденсации термолабильных продуктов, приводящих к термическому разложению и тепловому взрыву, наличием других специфических факторов и процессов.

Тяжелые аварии теплового взрыва с участием жидких реакционноопасных веществ и смесей при их хранении, транспорте и различном использовании – хорошо известный факт. Примеры таких аварий – аварии с перекисью водорода, о чем мы говорили ранее в гл. 2. Другие примеры – аварии теплового взрыва органических перекисей, произошедшие в Японии и на Тайване, данные о которых приведены в табл. 12.1 [2, 3].

Таблица 12.1

Аварии теплового взрыва жидких перекисей, произошедшие в Японии и на Тайване

Год	Продукт	Погибло/ранено	Место аварии	Причина
1964	MEKPO Япония	19/114	Реактор	Саморазложение
1979	MEKPO Тайвань	33/49	Хранение	Саморазложение
1981	TBHP Тайвань	1/3	Реактор	Саморазложение
1984	MEKPO Тайвань	5/55	Реактор	Саморазложение
1986	TBHP Тайвань	0/0	Реактор	Саморазложение
1987	Перекись водорода Тайвань	0/20	Хранение	Несовместимость
1988	TBHP Тайвань	0/19	Хранение	Отказ системы охлаждения
1989	MEKPO Тайвань	7/5	Хранение	Нарушение режима хранения
1996	MEKPO Тайвань	10/47	Хранение	Саморазложение

В табл. 12.1 обозначено: MEKPO – перекись метилэтилкетона, TBHP - гидроперекись четвертичного бутила.