Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 99 )

Обычно риск определяется как сочетание сочетание вероятности нанесения ущерба в виде физического повреждения или вреда жизни и здоровью людей, имуществу либо окружающей среде и тяжести этого ущерба. Поэтому оценка риска требует совместной оценки тяжести и вероятности опасного события.

Термический риск, связанный с опасностями теплового взрыва, - это риск потери управления химической реакцией, создающей термическую опасность. Поэтому для анализа термического риска необходимо понимать каким образом химическая реакция, создающая термическую опасность, переходит из режима своего нормального, безвзрывного режима в режим теплового взрыва. Такое понимание нам дает теория теплового взрыва. Однако в ней отсутствуют способы оценки вероятности и тяжести аварийных событий, связанных с тепловым взрывом, необходимые для определения риска. Подходы к решению этой проблемы даны в [2].

В большинстве случаев объекты, обладающие опасностью теплового взрыва, имеют системы охлаждения, обеспечивающие функционирование объекта в нормальном режиме. Наиболее тяжелый сценарий аварийной ситуации для такого объекта – отказ такой системы. Рассмотрим такой опасный сценарий для случая процесса в периодическом режиме [2].

Пусть все реагенты загружаются в реактор при комнатной температуре, нагреваются до температуры целевой реакции Tp, выдерживаются (обычно с перемешиванием) при этой температуре до завершения целевой реакции. После завершения реакции реакционная масса охлаждается и выгружается из реактора (штриховая линия на рис. 15.1).

Рис. 15.1. Сценарий теплового взрыва: А – целевая реакция, В – реакция разложения, 1 – нормальный процесс, 2 - ДТad –целевая реакция, 3 - ДТad – реакция разложения, 4 – отказ охлаждения.

При отказе охлаждения реактора (точка 4 на рис15.1) при наличии непрореагировавшего вещества температура вещества в реакторе будет расти до момента полного завершения реакции. Величина адиабатического разогрева ДТad пропорциональна количеству непрореагировавшего вещества к моменту наступления аварийной ситуации. При достижении определенной температуры может начаться вторичная реакция разложения реакционной массы. Теплота вторичной реакции может приводить к дальнейшему повышению температуры (период 6 на рис.15.1).

При правильно сконструированной системе охлаждения ее мощность при нормальном режиме функционирования должна быть достаточной для компенсации тепла химического процесса.

Максимальная адиабатическая температура MTSR, которая может быть достигнута после теплового взрыва целевой реакции, определяется тепловым эффектом этой реакции и степенью ее завершенности в момент отказа системы охлаждения и является мерой тяжести последствий реализации ее термической опасности. Максимальная адиабатическая температура Tfin после теплового взрыва, вызванного вторичной реакцией разложения, принимается как мера тяжести реакции теплового взрыва, вызванного вторичной реакцией.

Количество реагентов, не вступивших в реакцию в момент отказа системы охлаждения определяет термический потенциал реакции теплового взрыва.

Оценкой тяжести аварии теплового взрыва, следуя [2], является уровень температур, достигаемый за счет тепловыделения целевой и побочной реакций в адиабатических условиях.

Для оценки тяжести аварии теплового взрыва необходимы следующие данные:

QR - тепловой эффект целевой реакции; QD - тепловой эффект реакции разложения; cp - теплоемкость реакционной смеси.

Все эти данные могут быть получены на стадии лабораторного исследования с использованием методов калориметрии. По этим данным определяются адиабатические разогревы целевой реакции ДTR, ad и реакции разложения ДTD, ad:

               (15.1)

               (15.2)

Величина адиабатического разогрева определяет уровень тяжести потенциальной аварии теплового взрыва в соответствии с табл. 15.1.

Таблица 15.1

Уровни тяжести потенциальной аварии теплового взрыва

Тяжесть аварии	Адиабатический разогрев
Высокая
Средняя	50200°С
Низкая	50 (если температура кипения не достигается)

Максимальные значения температур целевой и побочной реакций в случае отказа системы охлаждения определяются выражениями:

               (15.3)

               (15.4)

Энергетический потенциал в момент отказа системы охлаждения определяется количеством реакционной массы в реакторе в этот момент и именно он определяет максимальную тепературу целевой реакции MTSR, которая выступает как мера тяжести аварии теплового взрыва при определении термического риска.

Как уже указывалось, тепловой взрыв обычно рассматривается как детерминистическое явление: если реализуются условия, лежащие для данного экзотермического процесса в надкритической области и время процесса превышает значение периода индукции, то взрыв произойдет всегда. Соответственно этому вероятность такой аварийной ситуации определяется вероятностью создания соответствующих условий, в первую очередь, вероятностью отказа соответствующего оборудования. Количественно оценить такую вероятность, необходимую для оценки риска теплового взрыва, весьма сложно. С учетом этого факта и практического опыта, для оценки вероятности аварийной ситуации теплового взрыва используется временная шкала [2]: если после отказа системы охлаждения остается достаточно времени, чтобы принять меры защиты для предотвращения теплового взрыва, то вероятность аварии теплового взрыва принимается низкой. В противном случае – возможен тепловой взрыв с высокой вероятностью. Для промышленных процессов (не для транспорта и хранения!) предлагаются три уровня вероятности: низкий, средний и высокий. Вероятность теплового взрыва принимается низкой, если время достижения максимальной скорости при адиабатических условиях превышает 24 часа и высокой, если этот показатель менее 8 часов (табл. 15.2).

Рассмотренный сценарий теплового взрыва показывает каким образом потеря контроля за целевой реакцией в результате отказа системы охлаждения может может привести к уровню температуры при котором имеет место тепловой взрыв, вызванный вторичной реакцией разложения. Этот вариант развития аварийной ситуации имеет важное значение для оценки термической безопасности процесса в целом. Для анализа возможности такого сценария необходимо знание термических свойств целевой и побочной реакции (их тепловых эффектов) и их кинетики. Моделирование процесса в реакторе (нормального и аварийного в приближении адиабатического хода реакции) позволяет определить время достижения максимальной температуры при аварии и оценить вероятность аварии, используя табл.15.2.

Таблица 15.2

Оценка вероятности аварии теплового взрыва

TMR ad	Вероятность
TMR ad	низкая
8 часов24 часа	средняя
<8 часов	высокая

Возможные сценарии развития аарийных ситуаций определяются относительным положением 4 уровней температур:

Тр - начальная температура сценария отказа системы охлаждения; MTSR - максимальная температура целевой реакции, ее значение зависит от степени завершенности целевой реакции; TD24 - температура при которойTMRad = 24 часа, MTT - максимальная температура процесса, определяемая технологическими причинами: для открытой системы это температура кипения, для закрытой системы это температура, при которой давление достигает максимально допустимое значение, т. е. определяется установкой предохранительного клапана или разрушением разрывной мембраны. MTT – это барьер безопасности, т. к. эта температура ниже MTSR.

Эти 4 уровня температур определяют 5 классов возможных критических сценариев: наименее опасный класс - 1, класс максимальной опасности - 5 (рис.15.2).

Рис 15.2. Критические классы сценариев теплового взрыва: А - Тр, В – классы сценариев

В сценариях, соответствующих классам 3 и 4, технический предел MTT играет важную роль. В открытых системах этим пределом является температура кипения. В закрытых системах техническим пределом может быть температура, при которой давление в реакторе достигает максимального значения, определяемого установками системы аварийного сброса давления.