Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 8 )

При определении SADT также выполняется серия расчетов при различных температурах окружающей среды и находится (в соответствии с требованиями международного стандарта определения этого параметра) минимальная температура, при которой температура в центре упаковки превышает внешнюю на 6оС за время 7 суток или менее.

1.3.8. Пакет программ ConvEx

Пакет программ ConvEx предназначен для моделирования тепловых режимов емкостей с реакционноспособными жидкостями в условиях хранения, транспортировки и эксплуатации. С физической точки зрения пакет ConvEx моделирует возникновение и развитие теплового взрыва в объекте в условиях конвективного теплообмена.

Пакет программ состоит из 3 модулей: СE-FK, CE-DK и CEPro.

Решаемые задачи:

моделирование протекания реакции в баке заданных размеров при заданных условиях; оценка критической температуры теплового взрыва для бака заданных размеров; определение температуры самоускоряющегося разложения (SADT) для бака заданных размеров.

Входные данные включают в себя:

Кинетическую модель химической реакции. При использовании модуля CE-FK – это формальная модель, которая импортируется из базы данных ForK, при использовании модулей CE-DK и CE-Pro – это дескриптивная модель, которая импортируется из базы данных DesK. Модель реактора, содержащего реагирующее вещество. При моделировании в ConvEx всегда рассматривается модель реактора периодического действия с распределенными параметрами, представленная системой дифференциальных уравнений в частных производных Навье-Стокса с источником тепла, описываемым формально-кинетической или дескриптивной кинетической моделью. Система уравнений дополняется соответствующими граничными условиями – первого (задана температура на стенке), второго (задан тепловой поток на стенке) или третьего (заданы коэффициент теплопередачи и температура окружающей среды) рода. Можно задавать уникальные граничные условия на каждой поверхности бака. Начальные условия – начальная температура вещества, начальные температуры конструкционных элементов, начальные конверсии для формальных моделей (всегда задаются нулевыми) или начальный состав смеси для дескриптивных моделей. Форму и размеры объекта (бака), его свободный объем, массу реагента. Допускаются баки трех видов – бочка, сфера и горизонтальный бесконечный цилиндр (цистерна). При использовании модулей CE-FK и CE-DK баки считаются полностью заполненными, в случае модуля CE – Pro возможно моделирование частично заполненных баков. Физические свойства вещества. При использовании модуля CE-FK рассматривается псевдо-однокомпонентная смесь, свойства которой задаются пользователем. При использовании модуля CE-DK свойства компонентов берутся из внутренней базы данных, пополняемой пользователем. Свойства многокомпонентных смесей определятся расчетно по принципу аддитивности. При использовании модуля CE - - Pro для расчета свойств смесей используется программа MIXTURE. Физические свойства материала контейнера (бака).

Результаты решения:

профили температур и конверсий по сечениям объекта в различные моменты времени в графической и табличной форме; значения максимальной температуры и максимальной конверсии в объекте в графической и табличной форме; изменение давления внутри оболочки во времени и в отдельных отделенных друг от друга герметичных элементах объекта; оценка критической температуры теплового взрыва; оценка параметра SADT.

Моделирование теплового взрыва сводится к численному интегрированию системы дифференциальных уравнений в частных производных, представляющих модель процесса. Для этой цели используются соответствующие численные алгоритмы, учитывающие следующие особенности задачи:

переход от медленно развития процесса в течение индукционного периода к быстрому изменению во времени переменных состояния при развитии теплового взрыва; возникновение естественной конвекции.

При определении критических параметров теплового взрыва и значений параметра SADT рассматривается упрощенная модель реактора идеального перемешивания периодического действия, представленная ОДУ теплового баланса и массового баланса с соответствующими граничными и начальными условиями.

Для оценки критической температуры теплового взрыва выполняется серия расчетов для модели с сосредоточенными параметрами при разных температурах окружающей среды и находится минимальная температура, при которой тепловой взрыв еще не развивается.

При оценке SADT в результате серии расчетов для модели с сосредоточенными параметрами находится минимальная температура окружающей среды, при которой температура в центре бака превышает внешнюю на 6оС за время 7 суток или менее.

1.3.9. ReRank

Программа ReRank предназначена для расчета следующих индикаторов реакционноспособности и реакционной опасности веществ:

индикатора термостабильности продукта TCL(T) - время достижения заданной глубины превращения при задаваемой пользователем температуре; индикатора вероятности развития взрыва в аварийных условиях TMR(Tin) - адиабатического периода индукции; показателя тяжести последствий реализации теплового взрыва в заданном пользователем температурном диапазоне TER(Tin) - полного тепловыделения; индекса реакционной опасности Nr - мгновенная и максимальная удельные скорости тепловыделения при температуре 250℃.

Входные данные:

кинетическая модель, импортируется из баз данных программ ForK и DesK; физические свойства смеси в целом для формальных моделей и компонентов реакционной смеси для дескриптивных моделей; индекс, подлежащий определению.

Расчет всех индексов реакционноспособности выполняется для модели аппарата идеального перемешивания периодического действия с граничными условиями, зафиксированными в программе в соответствии с нормативами на каждый индикатор.

При расчете индексов выполняется численное интегрирования модели процесса методом DVODE.

1.3.10. InSafer

Программа InSafer предназначена для моделирования и оптимизации режимов функционирования химических аппаратов (реакторов), в которых происходит химический процесс с известной кинетикой для обеспечения максимально возможного уровня их внутренней безопасности.

Входные данные:

дескриптивная кинетическая модель, импортируется из базы данных DesK; физические свойства компонентов реакционной смеси; модель химического аппарата (ректора); в программе InSafer всегда рассматривается модель проточного реактора идеального перемешивания; граничные условия: коэффициент теплопередачи и температура окружающей среды; начальные условия – начальная температура реакционной массы, начальный состав смеси, начальный объем или масса смеси; объем аппарата; входные потоки реагентов, задаются составом потока, объемным расходом и температурой; набор критериев, по которым необходимо оптимизировать режим процесса.

Выходные результаты:

таблично заданные расчетные кривые изменения температуры, концентраций, тепловыделения и газовыделения, а также кривые скоростей изменения указанных величин для исходного и оптимизированного режима; значения оптимизированных управляющих параметров; таблично заданные кривые изменения оптимизированных управляющих переменных; результаты анализа устойчивости оптимизированного режима.

Для решения поставленной задачи для заданной структуры математической модели объекта методом нелинейной оптимизации отыскивается такой набор управляющих переменных и параметров, который удовлетворяет заданным критериям. Для выполнения нелинейной оптимизации программа использует метод численной оптимизации с ограничениями типа неравенств. При выполнении оптимизации многократно выполняется численное интегрирование модели; для этих целей используются 2 метода интегрирования – DVODE и неявный метод Рунге-Кутта.

Анализ устойчивости оптимизированного режима процесса к допустимым отклонениям управляющих переменных от заданных значений выполняется в два этапа:

предварительный анализ с использованием упрощенного экспресс-метода, метод основан на последовательном "качании" управляющих параметров от минимальной к максимальной границе диапазона; окончательный анализ с применением нелинейной оптимизации.

Источники данных по свойствам компонентов смеси:

внутренняя база данных, пополняемая пользователем и обеспечивающая расчет свойств многокомпонентных смесей по аддитивному методу; программа MIXTURE для уточненного расчета свойств смесей.

1.3.11. BST

Программа BST выполняет расчеты систем защиты от аварий теплового взрыва реакторов различного типа за счет применения аварийного сброса давления. Программа реализует международно признанную методологию расчета систем аварийного сброса давления Американского института проектирования систем аварийной защиты (DIERS).

Программа BST решает две основные задачи:

моделирование физико - химических процессов в реакторах периодического действия идеального смешения, снабженных системой аварийного сброса давления; расчет параметров системы аварийного сброса давления, предотвращающей разрыв корпуса реактора в аварийных ситуациях высокого давления.

Исходные данные, необходимые для программы BST:

кинетическая модель химической реакции, создающей опасность теплового взрыва; модель импортируется из базы данных ForK в случае использования формальной модели или из базы данных DesK, если используется дескриптивная модель; граничные условия первого, второго или третьего рода для модели реактора; начальные условия: начальная температура реагирующей массы, коэффициент заполнения реактора, начальные конверсии для формальных моделей (всегда задаются нулевыми) или начальный состав смеси для дескриптивных моделей; форму и размеры реактора; программой допускаются реактора трех видов – сферический, горизонтальный и вертикальный цилиндр; проект MIXTURE, содержащий список компонентов смеси; физические свойства смеси рассчитываются программой MIXTURE; проект VENT, содержащий состав и конфигурацию линии сброса, и гидравлические характеристики элементов; режим моделирования (решаемая задача):

моделирование теплового взрыва; моделирование сброса давления из реактора, заполненного инертной жидкостью; моделирование нагрева/охлаждения внешним источником реактора с реагирующей смесью; расчет оптимального значения критического поперечного сечения системы сброса.

Результаты работы программы: