Оценка воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды при различных условиях функционирования
На правах рукописи
ХЛУДЕНЁВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ НА ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 03.00.16 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Пермь – 2007 2
Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент, Рябчиков Николай Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Швецова-Шиловская Татьяна Николаевна доктор технических наук, профессор Островский Сергей Владимирович
Ведущая организация: Уральский государственный научно исследовательский институт региональных экологических проблем Минприроды России (УралНИИ «Экология»), г. Пермь
Защита состоится 28 мая 2007 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.188.07 при Пермском государственном техническом университете по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 423б главного корпуса.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.
Автореферат разослан «» _ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Рудакова Л. В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы Эксплуатация производственных объектов нефтехимического комплекса, концентри рующихся преимущественно в крупных городах, сопряжена с опасностью их активного воз действия на экологическое состояние окружающей среды как в нормальных (штатных) ре жимах функционирования, так и при возможных ситуациях, не предусмотренных действую щими технологическими регламентами (залповые, массированные выбросы опасных химиче ских веществ). Обеспечение приемлемого уровня экологической безопасности объектов неф техимии может быть достигнуто путем прогнозирования опасностей и их проявлений на ос нове концепции риска — эффективного инструмента противодействия негативному техно генному влиянию на окружающую среду.
При прогнозировании риска эксплуатации производственных объектов в общем случае необходим одновременный учет как штатного (систематического) риска, обусловливающего эволюционный характер изменения качества окружающей среды, так и нештатного риска вследствие проявлений возможных инцидентов с кризисным характером экологических на рушений. Однако уровень опасности при возникновении инцидентов, как показано исследо ваниями ряда авторов (В.М. Колодкин, В.Г. Горский, Т.Н. Швецова-Шиловская, П.Г. Белов, И.И. Мазур, О.И. Молдаванов и др.), значительно выше уровня опасности от объекта, функ ционирующего в нормальном режиме. Поэтому именно оценки нештатного риска представ ляют наибольший интерес в качестве меры экологической опасности, порождаемой техно генным объектом.
Существующие модели и методы количественной оценки риска не всегда позволяют адекватно оценить как вероятность возникновения инцидентов, так и возможные последствия для окружающей среды их проявлений на нефтехимических производствах. Так, процедура прогнозирования частотных характеристик риска не учитывает техническое состояние объек тов, степень их износа, обусловленную протеканием в оборудовании деградационных про цессов в реальных условиях его функционирования.
Для прогнозирования экологических последствий проявления инцидентов на нефтехи мических производствах важную роль играют модели испарения опасных веществ (ОВ) со свободной поверхности проливов. Они позволяют охарактеризовать интенсивность поступ ления в окружающую среду паров легковоспламеняющейся или токсичной жидкости, обу словливающую силу взрывного или токсического воздействия.
В известных немногочисленных и разноречивых моделях испарения не принимается во внимание специфичный для нефтехимических объектов нестационарный характер испарения опасных веществ, что дополнительно снижает достоверность прогнозных оценок риска.
В связи с этим разработка подходов и исследования по комплексной оценке воздейст вия нефтехимических производств на человека и окружающую среду, ориентированной на учет реального технического состояния и условий функционирования технических уст ройств, с применением количественных показателей риска и методов моделирования и ком пьютерной поддержки принятия решений, предпринятые в настоящей работе, являются акту альными.
Цель работы — разработка методов, моделей, алгоритмов и программных средств для количественной оценки негативного воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды при различных условиях функционирования технологического оборудо вания.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели в рамках диссертационной ра боты были сформулированы и решены задачи обоснования, разработки и исследования:
• концепции экологического риска применительно к условиям функционирования объ ектов нефтехимии;
• метода и модели для вероятностного прогнозирования характеристик надежности тех нологического оборудования, необходимых для оценки риска, с учетом преобладаю щего типа повреждающих процессов;
• метода моделирования и кинетических моделей процесса износа для различных типов оборудования в реальных условиях функционирования;
• индивидуального прогнозирования в системе «человек-машина-среда» на основе вы шеуказанных методов и моделей частотного фактора риска для различных типов обо рудования;
• физического и математического моделирования процессов стационарного и нестацио нарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов в условиях раз личной подвижности воздушной среды с целью оценки воздействия на персонал, насе ление и окружающую среду;
• программных комплексов для моделирования и прогнозирования антропогенного воз действия объектов нефтехимии на окружающие экосистемы;
• комплексного моделирования и прогнозирования количественных показателей эколо гического риска на групповых объектах нефтехимии с учетом изменения во времени условий функционирования оборудования вследствие износа, а также кинетики испа рения опасных веществ.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использовались ме тоды экспериментального исследования в лабораторных и промышленных условиях, методы системного анализа, теории вероятностей и статистики, математического моделирования и вычислительной математики, теории надежности, теории тепло-массопереноса, коррозии и химического сопротивления материалов, динамической термогравиметрии. При решении за дач прогнозирования использованы методы компьютерного моделирования и ГИС технологии.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
• на примере функционирования нефтехимического оборудования, подвергающегося общему эрозионно-коррозионному износу, предложен и обоснован метод частотной оценки экологического риска, позволяющий расширить возможности теории риск анализа в обеспечении устойчивого развития и экологической безопасности объектов нефтехимии;
• разработан метод моделирования и кинетические модели износа различных типов неф техимического оборудования, необходимые для прогнозирования характеристик его надежности — главного критерия оперативной оценки экологической безопасности техносферных объектов;
выявлено существование трех стадий износа оборудования в зависимости от влияния на величину частотного фактора риска;
• разработаны модели изотермической кинетики испарения ряда опасных веществ с по верхности проливов в широком диапазоне скоростей обтекания воздушным потоком;
выявлено существование критической скорости обтекания;
• разработана математическая модель нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов, предназначенная для оценки воздействия токсических и/или ударно-волновых нагрузок на человека и окружающую среду.
Практическая ценность. Установлены основные факторы экологического риска при эксплуатации нефтехимических производств. Разработаны методики оценки экологического риска, основанные на комплексном учете специфики, индивидуальной нагруженности и ре ального технического состояния оборудования. Методики позволяют повысить достовер ность прогнозных оценок риска и на их основе управляющих решений по снижению нега тивных воздействий на человека и окружающую среду, порождаемых нефтехимическими объектами. Применение методик особенно эффективно в процедурах частотной оценки риска для оборудования, исчерпавшего свой проектный ресурс и являющегося поэтому источником повышенной экологической опасности.
Разработаны программные комплексы «FORS» и «VAPOUR» для моделирования и прогнозирования экологического риска на объектах нефтехимии с учетом условий их функ ционирования, специфики и технического состояния. Программные комплексы позволяют пополнить арсенал программных средств для решения задач управления экологической безо пасностью нефтехимических производств на основе современных информационных техноло гий.
Результаты исследований использованы при анализе, количественной оценке и выра ботке рекомендаций по снижению риска на ряде крупных предприятий Западного Урала (ЗАО «Сибур-Химпром», ОАО «Метафракс», ООО «Лукойл-Пермнефтеоргсинтез»), а также в учебном процессе при подготовке студентов специальности «Машины и аппараты химиче ских производств» Пермского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и об суждены: на III Межрегиональном научно-практическом семинаре «Технологии управления промышленной безопасностью» (г. Пермь, 2002);
на IV Межрегиональном научно практическом семинаре «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда на корпоративном уровне» (г.
Пермь, 2003);
на V Межрегиональном научно-практическом семинаре «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и ох раной труда» (г. Пермь, 2004);
на семинаре Ростехнадзора «Об опыте декларирования про мышленной безопасности и страхования ответственности. Развитие методов оценки риска аварий на опасных производственных объектах». (ФГУП «НТЦ «Промышленная безопас ность», г. Москва, 2004);
на VI Межрегиональном научно-практическом семинаре «Интегри рование систем управления технологической, экологической и промышленной безопасно стью» (г. Пермь, 2005);
на VIII научном семинаре «Промышленная и экологическая безопас ность опасных производственных объектов» (ФГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», г.
Москва, 2005);
на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006.
Часть материалов диссертации докладывалась на конкурсе научно-исследовательских работ ПермГТУ (II место, 2004 г.) Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод частотной оценки экологического риска;
2. Метод моделирования и кинетические модели износа для различных типов нефте химического оборудования;
3. Модели изотермической кинетики испарения опасных веществ с поверхности про ливов при различной подвижности воздушной среды;
4. Модель нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих про ливов;
5. Комплексное моделирование экологического риска, порождаемого объектами неф техимии.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключе ния, содержит список литературы из 140 наименований. Объем работы составляет 165 стра ниц машинописного текста, включающих 62 рисунка и 10 таблиц.
Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы основная цель и за дачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов, изложены вы носимые на защиту основные положения, приведена краткая характеристика работы.
В первой главе приведен анализ состояния проблемы оценки экологического риска объектов нефтехимии в двух аспектах: частотная оценка риска и оценка возможных послед ствий проявлений инцидентов для человека и окружающей среды.
С этой целью рассмотрены основные факторы опасности нефтехимических произ водств, связанные со значительным токсическим и энергетическим потенциалами, возможно стью их высвобождения с сочетанным воздействием различных поражающих факторов, а также инцидентов с каскадным эффектом развития.
К комплексу рискообразующих факторов следует отнести и изношенность технологи ческого оборудования вследствие протекания в нем повреждающих (деградационных) про цессов и накопления предельных уровней повреждений в условиях длительной эксплуатации.
Изношенность формирует техническое состояние оборудования и обусловливает экстре мальные условия его функционирования.
Применительно к условиям функционирования объектов нефтехимии рассмотрена сущность понятия «экологический риск», заключающаяся в возможности возникновения опасных событий, приводящих к реализации факторов риска для человека и окружающей среды. Это загрязнение атмосферы токсичными веществами с нанесением ущерба персоналу и населению на значительных площадях при ингаляционном воздействии (канцерогенез, му тагенез, подавление адаптивных систем и др.), взрывы, огненные шары, пожары проливов с риском гуманитарного и материального ущербов от воздействия ударно-волновых, тепловых и токсических нагрузок. Учитывая, что вызванная ухудшением качества окружающей среды вследствие техногенного воздействия преждевременная гибель человека — событие исклю чительное, для консервативной оценки экологического риска принята гибель индивидуума.
Такой подход соответствует общей идеологии анализа риска опасных техносферных объек тов, а также концепции устойчивого развития и принципам экологического нормирования.
Подчеркивается, что проблему прогнозирования частотного фактора риска целесооб разно рассматривать в контексте с техническим состоянием, а также спецификой условий функционирования объектов нефтехимических производств.
Специфика объектов химического профиля заключается в том, что каждая единица эксплуатируемого технологического оборудования индивидуальна по режимным парамет рам, условиям нагружения, конструктивному и материальному исполнению, а также по кор розионной активности рабочих сред. Все это предопределяет конкретные виды, закономерно сти и глубину повреждающих процессов и, следовательно, сугубо индивидуальное техниче ское состояние объекта.
В этой связи в качестве базовой концепции для частотной оценки экологического рис ка представляется целесообразным подход, основанный на максимальном учете информации о техническом состоянии оборудования.
Анализ литературных источников позволил установить, что существующие методы частотной оценки риска (статистические данные, логико-графические и имитационные моде ли) не учитывают реальное состояние оборудования, его изношенность, не ориентированы на индивидуальное прогнозирование вероятности его отказов.
При прогнозировании медико-экологических последствий проявлений инцидентов для человека и окружающей среды важную роль играют модели испарения ОВ со свободной по верхности проливов.
Известные модели испарения разноречивы и предназначены в основном для устано вившихся (изотермических) процессов. В то же время вопросы, связанные с моделированием процессов нестационарного испарения ОВ с поверхности горячих проливов, характерных для условий функционирования нефтехимических производств и наиболее опасных по своим экологическим последствиям, в литературе практически не освещены.
Таким образом, перечисленные недостатки не позволяют объективно оценить экологи ческий риск при функционировании нефтехимического оборудования, особенно в условиях его повышенного износа, и затрудняют разработку корректирующих мероприятий по сниже нию негативного воздействия нефтехимических производств на окружающую среду.
На основе проведенного анализа проблемы оценки экологического риска, порождаемо го объектами нефтехимии, сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена моделированию и индивидуальному прогнозированию час тотного фактора риска для различных типов нефтехимического оборудования: емкостного, колонного, теплообменного, технологических трубопроводов.
С этой целью выполнен анализ деградационных процессов, протекающих в техниче ских устройствах нефтехимических производств. Установлено, что отказы аппаратов оболоч кового типа обусловлены превалирующим влиянием эрозионно-коррозионного фактора, оп ределяющего переход оборудования в предельное состояние. Критерием предельного со стояния в этом случае является потеря прочности при уменьшении толщины стенки техниче ского устройства.
В этой ситуации интенсивность износовых отказов, необходимая для дальнейшей частотной оценки риска, для нормального распределения нормированной случайной величи ны может быть представлена в соответствии с положениями теории надежности как u exp (1) ( ) = u u 0.5 2 + exp du В выражении (1) величину u, являющуюся квантилем нормального распределения, можно записать в соответствии с кумулятивной моделью надежности в виде [] = [] a u=, (2) Sa S где - текущее значение степени износа стенки, дол. ед.;
a - относительная скорость износа стенки, дол. ед./год;
S, Sа - статистические оценки среднеквадратичных отклонений степени и скорости износа стенки соответственно;
Степень износа может быть определена как отношение фактического утонения стенки объекта к максимально возможному при достижении стенкой расчетной толщины.
Параметр под действием случайных и детерминированных факторов в процессе экс плуатации объекта изменяется и достигает со временем предельного значения []=1, после чего состояние объекта считается неработоспособным и квалифицируется как отказ.
Рост () означает, что с увеличением наработки возрастает опасность отказов из-за износа оборудования.
Расчетные значения (при известной скорости износа) использовались далее в час тотном анализе риска с применением метода «деревьев отказов» в качестве оценок первич ных, или износовых (деградационных) отказов.
Необходимым условием реализации рассматриваемого подхода к определению интен сивности износовых отказов нефтехимического оборудования является информация о скоро сти повреждающих процессов. В этой связи нами изучены кинетические закономерности из носа технологического оборудования нефтехимических производств, подвергающегося эро зионно-коррозионным повреждениям и исчерпавшего свой проектный ресурс.
Концептуальным аспектом кинетического моделирования износа является предполо жение о существовании единых закономерностей износа для группы однотипных техниче ских устройств или их элементов.
Значения величин, входящих в уравнение (2), определяются на основе диагностиче ской информации.
В сферу кинетических интересов вошла значительная часть нефтехимических произ водств и установок: производства этилена и пропилена, стирола и этилбензола, 2 этилгексанола, товарно-сырьевая база, товарная база сжиженных газов, установки низкотем пературной ректификации и ректификации сжиженных газов, пиролиза и газофракциони рующие установки.
Предметом кинетического исследования служили группы однотипного оборудования, отличающегося масштабом и условиями функционирования: технологические трубопроводы (в т.ч. фасонные участки), колонны, емкости, теплообменники, а также элементы оборудова ния (нижние и верхние днища, обечайки, штуцеры).
Всего экспериментом было охвачено более двухсот единиц оборудования. Общая про тяженность изученных трубопроводов составляла около четырех тысяч метров.
Фрагменты результатов исследований представлены в табл. 1 и 2 в виде полиномиаль ных кинетических моделей процесса износа, а также на рис. 1,2.
Таблица Кинетические модели износа нефтехимического оборудования Тип обо- Агрегат Урав рудова- ное сос- Область нение1, Среда Марка стали ния, тояние применения (N п/п) среды элементы 1 2 3 4 5 Трубопро Т=45200 °С;
воды, Конвертированный газ, ПГФ 1 20 Р=1,69,5 МПа;
прямые водяной пар D=0,0890,273 м участки Трубопро- Т=21300°С;
Этилен, пропан, конверти воды, ПГФ 2 20 Р=0,13,7 МПа;
рованный газ, водяной пар отводы D=0,0570,53 м ………………………………………….
Колонны, Т=-30200°С;
Пентан-амиленовая верхние ПГФ 13 09Г2С Р=1,34,0 МПа;
фракция днища D=1,61,8 м Таблица Сводка кинетических уравнений Sa103 Коэффи N Уравнение3 циент в урав п/п нении (2) детерминации 1 2 3 a = 4.86 102 + 0.449 D + 9.01 104 P + 1.41 107 T 2 ± 0.011 1 1.198 0. a = 1.21 102 + 0.221D + 8.05 104 P + 1.64 106 T 2 ± 0. 2 1.602 0. …………………………………………..
a = 1.2 10 2 + 1.25 103 P 1.06 104 T + 7.8 107 T 2 ± 0. 13 0.426 0. Доверительные интервалы для уравнений, приведенных в табл. 2, получены при уров не значимости q=0,1. Уравнения характеризуются сравнительно высокими значениями коэф фициентов детерминации (0.940.98).
Сопоставление экспериментальных и расчетных значений скорости износа для различ ных типов оборудования приведено на рис. 1.
Анализ полученных кинетических зависимостей (табл. 2) показывает, что для всех изученных типов оборудования характерно влияние на скорость износа условий его функ ционирования: режимных параметров процесса — температуры и давления, а также матери ального исполнения аппаратов и агрегатного состояния технологических сред. Скорость из носа трубопроводов, кроме отмеченных параметров, зависит и от конструктивного фактора — диаметра. Это связано с возрастанием степени турбулентности потоков при увеличении диаметра трубопровода и свидетельствует о вкладе эрозионной составляющей в механизм износа.
Кинетические уравнения, соответствующие порядковому номеру, представлены в таблице 2.
ЖФ – жидкая фаза, ПГФ – парогазовая фаза.
Размерность давления Р в уравнениях (113) — ат.
a – абсолютная скорость износа, мм/год.
Показано, что нефтехимическое оборудо вание является весьма индивидуальным в кине тическом аспекте повреждающих процессов.
Скорость износа различна как для отдельных аппаратов, так и для их элементов, следова тельно, различно и их техническое состояние — степень износа.
На основании полученных результатов предложен и использован в дальнейших иссле дованиях подход к частотному анализу эколо гического риска на объектах химического про филя: частотный анализ целесообразно выпол нять на основе принципа «слабого звена».
Рис. 1. Сопоставление экспериментальных Полученные кинетические модели износа (aэ) и теоретических (aт) значений скоростей послужили основой для прогнозирования ос износа для различных типов оборудования новных характеристик надежности — интенсивности износовых отказов и вероятности безотказной работы Р, а также для после дующей частотной оценки риска для нефтехимического оборудования, выработавшего про ектный ресурс.
Рис. 2 иллюстрирует общий характер зависимости интенсивности отказов и вероят ности безотказной работы Р колонного оборудования от его технического состояния, опреде ляемого степенью износа, при различных условиях функционирования.
Дальнейший частотный анализ риска для от дельных типов нефтехимического оборудования выполнялся путем моделирования в системе «чело век-машина-среда» процесса возникновения проис шествия с применением семантических моделей причинно-следственных связей типа «дерево отка зов». В этих моделях в качестве оценок интенсивно стей первичных отказов использовались расчетные (прогнозные) значения.
На рис. 3 представлен пример «дерева отка зов» емкостного оборудования. При построении Рис. 2. Зависимости характеристик «деревьев отказов» учитывались три группы факто надежности колонного оборудования ров — предпосылок к возможным инцидентам:
• отказы систем КИП и А, АСУ и противоава от его технического состояния:
1 – вероятность безотказной работы, рийной защиты (ПАЗ);
дол. ед.;
2 – интенсивность отказов, • ошибки персонала;
1/год;
T = -30200 °C;
Р = 1,24 МПа;
• техническое состояние оборудования.
D = 1.62 м;
среда – пентан-амиленовая В соответствии с рассматриваемым подходом фракция, бутан, углеводороды;
матери- «дерево отказов» учитывает влияние степени износа ал – 09Г2С;
Обозначения: Т — темпе емкости на интенсивность конечного события — ее ратура;
Р — давление;
D — диаметр.
разгерметизации.
Расчетные оценки интенсивностей износовых (первичных) отказов емкости приведены при трех различных значениях степени износа:
= 0.5 = 1.48 10 10 1/год;
= 0.6 = 2.49 10 5 1/год;
= 0.7 = 7.26 103 1/год.
Анализ «дерева отказов» емкости позволил установить (рис. 4) существование трех областей (стадий) износа в зависимости от их влияния на интенсивность отказов (разгермети зации) емкости:
• I — область незначимого влияния степени износа (0,6);
факторами, определяющими интенсивность отказов емкости, являются отказы систем КИПиА и ошибки персонала;
• II — область преобладающего влияния степени износа (=0,60,675);
характеризуется совместным влиянием на интенсивность отказов всех трех групп факторов с преобла данием износовой составляющей (технического состояния оборудования).
Разгерметизация емкости (2,65Е-4;
степень износа 0, 2,90Е-4;
степень износа 0, 7,52Е-3;
степень износа 0,7) ИЛИ Эрозионно-коррозионный Переполнение износ Эрозия/ емкости (1,48Е-10;
степень износа 0,5 коррозия (1Е-5) 2,49E-5;
степень износа 0,6 металла 7,26Е-3;
степень износа 0,7) (2,55Е-4) И И Ошибка обслуживающего (2,55Е-2) Ошибка персонала Отказ СС уровня персонала (контроля) в емкости (1Е-3) ИЛИ (1Е-2) Рис. 4. К анализу «дерева отказов» Емкостное оборудование;
днища;
ВСт3;
Потеря герметичности Потеря герметичности фланцевых соединений уплотнений запорной 1 – интенсивность отказов (разгерметизации) (1,05Е-2) арматуры (1,5Е-2) емкости, 1/год;
2 – интенсивность износовых отказов, 1/год;
ИЛИ ИЛИ T = 2097 °C;
P = 0.070.16 МПа;
D = 1.41.6 м.
Износ Ослабление Износ Повреждение Ослабление Повреждение крепежных крепления крепежных уплотнений крепления сальниковых изделий (1Е-2) соединений (3Е-4) (1Е-2) уплотнений (1,7Е-4) (4Е-3) • (1Е-3) III— область определяющего влияния Неравномерная Неравномерная или неполная степени износа (0,675);
интенсивность или неполная Износ затяжка болтов затяжка болтов уплотнения (1Е-2) (1Е-2) отказов емкости практически совпадает с интенсивностью износовых отказов, оп Ошибка Ошибка при ремонте при ремонте ределяется уже ее собственным техниче Рис. 3. «Дерево отказов» для емкостного ским состоянием и перестает зависеть от оборудования отказов систем КИПиА и ошибок персо нала.
Выявленная в результате частотного анализа риска стадийность износа позволяет ре комендовать индивидуальные мероприятия по снижению вероятности воздействия нефтехи мических производств на объекты окружающей среды с учетом непрерывно меняющихся во времени условий функционирования технологического оборудования.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования кинетиче ских закономерностей испарения ОВ с поверхности горячих проливов. Объектом исследова ния служили крупнотоннажные продукты нефтехимии: бензол, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) и этилбензол, являющиеся легковоспламеняющимися жидкостями и опасными хи мическими веществами II и III классов опасности. Кинетические исследования проводили на специальной лабораторной установке методом динамической термогравиметрии в политер мических условиях при различной подвижности воздушной среды. Скорость обтекания про лива воздушным потоком варьировали от 0.5 до 3.5 м/с.
Анализ результатов эксперимента показывает, что процесс нестационарного испарения складывается из двух стадий (рис. 5): стадии падающей интенсивности испарения (I) и стадии стабилизации (II). Длительность каждой из них определяется свойствами конкретного веще ства и подвижностью воздушной среды. В условиях подвижной воздушной среды длитель ность обеих стадий резко сокращается.
Экспериментальные данные обрабатывались в соответствии с молекулярно кинетической теорией испарения по уравнению E J = K exp, (3) RT где J - интенсивность испарения, кг/см2;
Е - наблюдаемая энергия активации, кДж/моль;
R универсальная газовая постоянная, кДж/(мольК);
К - коэффициент, зависящий от химическо го состава вещества;
Т - абсолютная температура, К.
Обработка опытных данных в «аррениусовых координатах» (рис.6) позволила опреде лить кинетические параметры процесса изотермического испарения ОВ для широкого интер вала температур как в неподвижной, так и подвижной воздушных средах (табл. 3, 4).
4.10E-02 1/T 0 м/с 0.5 м/с 1.5 м/с 3.60E- Интнсивность испарения J, 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0. 2.5 м/с 3.0 м/с 3.5 м/с - 3.10E- - 2.60E- кг/с*м - 2.10E- - ln(J) 1.60E- - I 1.10E- II - 6.00E- - 1.00E-03 0 м/с 0.5 м/с 1.5 м/с - 0 50 100 150 200 2.5 м/с 3.0 м/с 3.5 м/с Время испарения,с - Рис. 5. Зависимость интенсивности испарения Рис. 6. Зависимость логарифма интенсивности МТБЭ от времени при различных скоростях испарения МТБЭ от обратной температуры при обтекания. различной подвижности воздуха Установлено, что испарение исследованных ОВ в условиях неподвижной воздушной среды лимитируется диффузионным переносом вещества в газовой фазе. Эта область условно названа нами диффузионной. В диффузионной области наблюдаемая энергия активации Е превышает истинную Еи для всех исследованных веществ (табл.3, 5).
Таблица Кинетические параметры испарения ОВ в условиях неподвижной воздушной среды К, кг/(см2) E, кДж/моль 1. МТБЭ 56. 1. Бензол 47. 5. Этилбензол 40. Таблица Кинетические параметры испарения ОВ в условиях обтекания пролива воздухом К=(U), кг/(см2) E=(U), кДж/моль exp(6.34 + 0.58 U 0.21 U 2 + 0.05 U 3 ) 27.93 + 1.70 U 1.58 U 2 + 3.4 102 U МТБЭ exp(5.83 + 3.78 U 1.33 U 2 + 0.39 U 3 ) 29.26 + 4.88 U 1.58 U 2 + 0.72 U Бензол exp(6.3 + 2.5 U 0.8 U 2 + 0.2 U 3 ) 34.6 + 2.29 U 0.71 U 2 + 0.41 U Этилбензол Подвижность воздушной среды способствует снижению диффузионного торможения процесса, и уже при скорости обтекания Uкр =0.5 м/c, названной нами критической, процесс испарения переходит из диффузионной области в кинетическую, т.е. лимитируется кинетикой перехода вещества из жидкой в газовую фазу. Переход сопровождается резким (кризисным) снижением для всех веществ наблюдаемой энергии активации до ее истинных значений (табл.
5) и значительным возрастанием интенсивности испарения.
Таблица Сравнение энергий активации процесса испарения ОВ в кинетической области Истинная энергия Наблюдаемая активации Еи Скорость обтекания Вещество энергия активации (энтальпия испарения), пролива U, м/с Е, кДж/моль кДж/моль МТБЭ 27.466 27.758 0. Бензол 31.397 30.794 0. Этилбензол 35.62 35.606 0. Четвертая глава посвящена разработке математического описания процесса неста ционарного испарения ОВ с поверхности горячих проливов.
Для определения поля температуры в слое жидкости и ее окружении рассматривается двумерная задача переноса тепла за счет теплопроводности и конвекции.
Из теории теплопередачи известно:
d d c = k 2 или c k 2 = 0, (4) dt dt 2 2 где = 2 + 2 + 2 - оператор Лапласа.
x y z Нестационарная задача теплообмена в теле объемом и поверхностью S заключается в решении дифференциального уравнения (4) для температуры во времени при граничных условия IIII рода на частях поверхности и начальных условиях в нулевой момент времени.
Уравнение (4) решалось с применением численного метода конечных элементов. Ва риационная формулировка задачи заключается в следующем: используя уравнение (4), соста вим тождество (выбираем контакт двух тел r=1,2, k — постоянно для каждой области) c + U d r (k 2 )d r = 0, t (5) r =1 r r в котором = ( 1, 2 ) - вещественная скалярная функция.
Второй интеграл в левой части (5) преобразуем к виду:
(k )d = kn dS r k d r, (6) r r r Sr где Sr - точки поверхности.
Тогда функционал (5) перепишется в виде 2 t c + U d r + k d r kn dS r = 0. (7) r =1 r r Sr Принимая во внимание граничные условия, получим окончательный функционал, ми нимум которого соответствует дифференциальной задаче и всем граничным условиям:
c + U d r + k d r + q dS qr + t r =0.
r S qr (8) + ( - )dS r + (1 - 2 )dS r r = S r S r Для решения вариационной задачи расчетная область разбивается на конечные тре угольные элементы с помощью множества узловых точек с глобальными координатами ( xi, y i ), которым соответствует вектор узловых значений температуры. Для каждого элемента записывается функционал (8), а функционал для всей расчетной области получается сумми рованием всех элементарных функционалов.
Из необходимого условия экстремума (8) формируется разрешающая система алгеб раических уравнений, решение которой позволяет определить поле температур в слое жидко сти, элементах подстилающей поверхности и близлежащем слое воздушной среды. Зная тем пературу в слое жидкости в любой момент времени, можно определить текущую интенсив ность испарения. Моделирование массообмена в процессе испарения осуществляется при помощи уравнений изотермической кинетики (3), полученных нами в предыдущей главе.
На основании математического описания разработан программный комплекс «VAPOUR» для моделирования нестационарного испарения ОВ с поверхности горячих про ливов. Комплекс позволяет адекватно оценить массу вещества во взрывоопасном или ток сичном облаке, а также время и интенсивность его образования в различных условиях обте кания пролива воздушным потоком.
Рис. 7 иллюстрирует полученные с помощью программного комплекса «VAPOUR» ре зультаты моделирования распределения температур в системе жидкость — подстилающая поверхность — воздух при испарении пролива МТБЭ для различных скоростей обтекания.
а) б) Рис. 7. Поле температур при нестационарном испарении МТБЭ для различных скоростей обтекания (момент времени =10 с): а) U=0.05 м/с;
г) U=0.5 м/с Из рисунка следует, что увеличение скорости обтекания сопровождается деформацией температурных полей с уменьшением доли паров над поверхностью испарения. Характер де формации температурного поля коррелируется со сделанным нами в предыдущей главе вы водом: в подвижной воздушной среде процесс испарения ЛВЖ переходит из диффузионной области в кинетическую при достижении скорости обтекания 0.5 м/с, совпадающей с экспе риментальным значением Uкр.
В пятой главе приведены результаты комплексного моделирования и прогнозирова ния экологического риска с целью оценки воздействия на окружающую среду объектов неф техимии на примере производства стирола. Цель моделирования — изучение совместного влияния текущего технического состояния оборудования, формируемого условиями функ ционирования, а также кинетики испарения на показатели экологического риска для группы территориально рассредоточенных источников опасности (аппаратов), каждый из которых формирует свои зоны риска. Моделирование осуществлялось с использованием разработан ного нами программного комплекса «FORS».
Для технологического комплекса производства стирола характерно участие в техноло гическом процессе значительных количеств горючих паров и жидкостей, а также опасных химических веществ (бензол, этилбензол, стирол, толуол, диэтилбензол, полиалкилбензолы).
Технологическое оборудование, определяющее наибольший вклад в формирование ко личественных показателей риска, представлено следующими типами аппаратов: ректифика ционные колонны для выделения бензол-толуольной фракции, возвратного этилбензола и стирола-ректификата;
емкости для приема и хранения осушенного бензола, углеводородного конденсата и дренажных продуктов установки этилбензола;
теплообменник для подогрева этилбензольной шихты;
сепаратор для отделения капель жидкости из контактного газа после аппаратов воздушного охлаждения.
Рассмотрены три варианта моделирования:
• без учета изученной кинетики испарения и степени износа основного технологическо го оборудования;
• с учетом кинетики испарения;
• с учетом кинетики испарения и степени износа в соответствии с рассматриваемым подходом.
Прогнозирование экологического риска осуществлялось для оборудования, исчерпав шего проектный ресурс, на временных этапах эксплуатации, равных 27, 32 и 37 лет. Значе ния вероятности нанесения ущерба реципиенту при воздействии различных поражающих факторов (воздушной ударной волны, токсических нагрузок и теплового воздействия пламе ни) определялись с использованием моделей «доза — эффект» и соответствующих Probit функций.
Результаты моделирования представлены на рис. 8а-д в виде интегральных полей рис ка R как в объемном изображении, так и на плоскости с привязкой к производственной пло щадке. Из рисунка следует, что учет при моделировании изменения во времени условий функционирования оборудования, его реального технического состояния, а также кинетики испарения опасных веществ для группового источника опасности приводит к существенной деформации полей риска. Она сопровождается как возрастанием значений экологического риска вследствие увеличения интенсивности отказов оборудования, так и расширением его полей и свидетельствует о существенном увеличении потенциального воздействия на окру жающую среду (полей вероятностного поражения при ингаляционном воздействии ОВ, зон распределения токсодоз и концентраций на производственной площадке объекта и селитеб ной территории).
Основные результаты и выводы 1. Разработана концепция экологического риска применительно к условиям функциониро вания объектов нефтехимии;
выявлены основные рискообразующие факторы нефтехи мических производств.
2. С применением кумулятивной модели надежности на примере эрозионно-коррозионного износа разработан метод вероятностного прогнозирования интенсивности износовых от казов технологического оборудования, предназначенный для частотной оценки экологи ческого риска.
3. Разработан метод моделирования и кинетические модели износа для различных типов нефтехимического оборудования, необходимые для прогнозирования его характеристик надежности в широком диапазоне условий функционирования. В качестве эксперимен тального материала для разработки кинетических моделей использована обширная ин формация, полученная при диагностировании оборудования, исчерпавшего проектный ресурс. Показано, что частотный анализ экологического риска целесообразно выполнять на основе принципа «слабого звена».
4. Выполнен частотный анализ риска для различных типов нефтехимического оборудова ния в системе «человек-машина-среда» с применением семантических моделей причин но-следственных связей типа «дерево отказов». Выявлено существование трех стадий износа в зависимости от их влияния на величину частотного фактора экологического риска. Отмечено, что учет стадийности износа может способствовать разработке управ ленческих решений по минимизации негативного воздействия нефтехимических произ водств на объекты окружающей среды.
5. Получены модели изотермической кинетики испарения для ряда крупнотоннажных про дуктов нефтехимии с поверхности проливов в широком диапазоне скоростей обтекания.
Для всех исследованных веществ выявлено существование критической скорости обте кания, характеризующейся равенством наблюдаемой и истинной энергий активации.
Рис. 8. Интегральные поля риска при различных условиях функционирования производства стирола:
а) без учета степени износа оборудования и кинетики испарения;
б) с учетом кинетики испарения;
вд) с учетом степени изно са и кинетики испарения: в – = 27 лет;
г – = 32 года;
д – = 37 лет.
Расположение оборудования: 13 – колонны;
4 – сепаратор;
5 – теплообменник;
68 – емкости.
6. С использованием метода конечных элементов и результатов экспериментального иссле дования разработано математическое описание процесса нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов в условиях различной подвижности воздушной среды. Смоделированы температурные поля при испарении ОВ для различных скоростей обтекания. Получено теоретическое доказательство существования критиче ской скорости обтекания, значение которой соответствует экспериментальному. Разрабо тано программное обеспечение для моделирования процесса нестационарного испарения ОВ и прогнозирования экологических последствий проявлений инцидентов (программный комплекс «VAPOUR»). Выявлены области протекания процесса испарения опасных ве ществ.
7. Разработан программный комплекс «FORS» для моделирования и прогнозирования коли чественных показателей экологического риска, порождаемого объектами нефтехимии, с учетом условий их функционирования и технического состояния.
8. В результате комплексного моделирования и прогнозирования показателей экологическо го риска для группового источника опасностей с использованием программных комплек сов «FORS» и «VAPOUR» установлено, что учет степени износа оборудования, исчер павшего проектный ресурс, а также применение адекватных моделей испарения опасных веществ приводит к деформации интегральных полей риска с резким возрастанием его значений и масштабов потенциального воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды.
Публикация результатов. Основные положения диссертации изложены в 20 публика циях.
1. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Мошев Е.Р. Методика прогнозирования интенсивности отказов оборудования потенциально опасных промышленных объектов // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и перспективы развития химической промышленности на Западном Урале» Пермь, 2003. – C. 11-17.
2. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н. М., Хлуденёв С.А. Прогнозирование надежности потенциаль но опасных объектов нефтехимии. // Материалы 4-го Межрегионального научно практического семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда на корпоративном уровне» Пермь, 2003. – С. 41-50.
3. Хлуденёв С. А., Хлуденёв А. Г., Рябчиков Н. М. Построение и анализ полей потенциаль ного риска опасных производственных объектов. // Материалы 4-го Межрегионального научно-практического семинара «Новые технологии технического регулирования и сис темного управления промышленной безопасностью и охраной труда на корпоративном уровне» Пермь, 2003. – С. 51-58.
4. Хлуденёв С.А., Рябчиков Н.М. Программное обеспечение анализа аварийного риска хи мико-технологических объектов. // Материалы 5-го Межрегионального научно практического семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда» Пермь, 2004. – С. 64-66.
5. Хлуденёв С.А., Стрелков А.С. Применение кумулятивной модели отказов в количествен ном анализе риска химико-технологических объектов. // Материалы 5-го Межрегиональ ного научно-практического семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда» Пермь, 2004. – С. 67-72.
6. Хлуденёв С.А., Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М. Об одном методическом подходе к анализу риска объектов химического профиля// Материалы семинара Ростехнадзора «Об опыте декларирования промышленной безопасности и страхования ответственности. Развитие методов оценки риска аварий на опасных производственных объектах». – М.: ФГУП «На учно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. – С. 76-85.
7. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Южанин С.Н., Гриценко В.Б. Некоторые аспекты частотного анализа риска химико-технологических объектов // Безопасность труда в промышленности. – 2005. – № 7. – С. 57–60.
8. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Южанин С.Н., Гриценко В.Б. Моделирова ние кинетики износа технологического оборудования нефтехимических производств // Безопасность труда в промышленности. – 2005. – № 9. – С. 50–54.
9. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Кутьин Н.Г., Селезнев Г.М. Анализ риска объектов химического профиля на основе информации о техническом состоянии обору дования // Безопасность труда в промышленности. – 2006. – №3. – С. 28-33.
10. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н. М., Хлуденёв С.А. О кинетике износа нефтехимического обо рудования // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и перспективы развития химической про мышленности на Западном Урале», Пермь, 2005. – С. 315-323.
11. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденёв С.А. Моделирование и прогнозирование интен сивности отказов нефтехимического оборудования // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и перспективы развития химической промышленности на Западном Урале», Пермь, 2005. – С. 232-330.
12. Хлуденёв С.А, Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М. Оценка опасности химико-технологических объектов с учетом степени износа оборудования // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и пер спективы развития химической промышленности на Западном Урале», Пермь, 2005. – С.
310-315.
13. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденёв С.А. Некоторые аспекты исследования промышленной и экологической безопасности объектов химического профиля // Безопасность труда в промышленности. – 2005. – № 6. – С. 55-56, 14. Хлуденев С.А., Лисков Р.А. Экспертный программный комплекс для оценки аварийного риска опасных производственных объектов химического профиля («FORS»). Свидетель ство об официальной регистрации № 2005612347. М.: Роспатент РФ, 2005.
15. Хлуденев С.А., Лисков Р.А. Экспертный программный комплекс для моделирования про цесса нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих аварийных проливов («VAPOUR»). Свидетельство об официальной регистрации № 2006612255. М.:
Роспатент РФ, 2006.
16. Хлуденев С.А., Рябчиков Н.М., Шумихин А.Г., Гриценко В.Б. Моделирование источника опасности при аварийных проливах в задачах оценки риска и управления безопасностью нефтехимических производств // Промышленная безопасность и экология. – 2006 – № 7. – С. 45-47.
17. Хлуденев С.А., Рябчиков Н.М. Моделирование и индивидуальное прогнозирование ава рийного риска потенциально опасных объектов нефтехимии. // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006. – С. 274-275.
18. Рябчиков Н.М., Хлуденёв С.А. Моделирование процесса испарения опасных веществ с поверхности аварийных проливов для оценки и управления риском нефтехимических производств. // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуаль ные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006. – С.
273-274.
19. Хлуденев С.А., Шумихин А.Г., Рябчиков Н.М. Некоторые аспекты оценки экологического риска, порождаемого объектами нефтехимии // Промышленная и экологическая безопас ность. – 2007 – № 4. – С. 60-61.
20. Хлуденев С.А., Рябчиков Н.М., Шумихин А.Г. К вопросу о кинетике испарения опасных веществ с поверхности аварийных проливов на объектах нефтехимического профиля // Промышленная и экологическая безопасность. – 2007 – № 4. – С. 61-62.