Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Испарение нефтепродуктов с открытой поверхности в реальных метеоусловиях.




Молекулярная диффузия нефтепродуктов в неподвижный воздух протекает весьма медленно. Значительно быстрее протекает процесс диффузии паров в движущийся над поверхностью испарения воздух.

CSH
Направление движения воздуха
 
Б
 

 
 

 


Рис. 13.4. Изменение концентрации паров в пограничном слое нефтепродукта, испаряющегося в движущемся воздухе.

 

При конвективной диффузии масса переходит из одной фазы в другую не только вследствие молекулярного движения, но и в результате движения воздуха, а также более интенсивного теплообмена. За счет этих явлений, естественно, увеличивается масса испаряющихся нефтепродуктов.

Характер изменения концентрации паров по высоте от поверхности испарения нефтепродукта при наличии ветра резко отличается от закономерности изменения концентрации при испарении в неподвижный воздух. При конвективной диффузии над поверхностью нефтепродукта образуется небольшой толщины пограничный слой с насыщенной концентрацией паров. Затем (по высоте) происходит резкий перепад концентрации и в выше расположенных слоях вследствие перемешивания воздуха с паром концентрация будет практически одинаковой для всех слоев (рис. 13.4).

Скорость процессов массопередачи пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению среды. В рассматриваемом примере скорость испарения нефтепродукта (масса Gи испарившегося с площади F за время t продукта) в движущийся воздух будет пропорциональна движущей силе процесса испарения DС и обратно пропорциональна сопротивлению RX:

(13.21)

откуда

(13.22)

Величину, обратную сопротивлению RX, называют коэффициентом массопередачи и обозначают КХ. Тогда, после введения этого обозначения и после интегрирования (13.22), получим с учетом начальных условий (равенство нулю массы испарившегося нефтепродукта в начальный (нулевой) момент времени:

(13.23)

где DС - средняя движущая сила массопередачи,

КХ - коэффициент массопередачи, кг/м2×ч.

Уравнение (13.23) имеет много общего с соответствующим уравнением теплопередачи и коэффициент массопередачи также как коэффициент теплообмена может быть определен полуэмпирическим методом.

Известно, что при переносе тепла конвекцией от нагретой поверхности в среду коэффициент теплообмена находят, исходя из величины критерия Нуссельта Nu:

(13.24)

где Re - критерий Рейнольдса,

Pr - критерий Прандтля,

Gr - критерий Грасгофа.

При испарении нефтепродуктов коэффициент массопередачи может быть также определен, исходя из функциональной зависимости критерия Рейнольдса (Re) и диффузионных критериев Нуссельта, Прандтля (Pr) и Гухмана (Gu):

(13.25)

где знак Ù указывает на диффузионный характер соответствующего критерия.

Формулы определения значений критериев подобия диффузионных процессов приведены в табл. 13.1. В той же таблице для сравнения приведены критерии передачи тепла конвекцией.

Таблица 13.1.

Критерии подобия.

Критерий Вид критерия в процессе Физический смысл диффузионного критерия
Тепловом Диффузионном
Рейнольдса Характеризует режим движения среды
Нуссельта Характеризует процесс массопередачи у поверхности раздела фаз.
Прандтля Характеризует физические свойства среды
Гухмана - Характеризует процесс тепло - массообмена при испарении.

 

Для величин, входящих в табл. 13.1 приняты следующие обозначения:

D - коэффициент диффузии с поправкой на температуру, м2/с;

m - кинематический коэффициент вязкости воздуха, м2/с;

h - динамический коэффициент вязкости воздуха, кг×с/м2;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

r - теплота испарения, ккал/кг;

a - коэффициент теплообмена от нефтепродукта к воздуху, ккал/м2×с×град; VB - скорость движения воздуха, м/с;

rП - плотность паров испаряющегося нефтепродукта, кг/м3;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×град) или (ккал/(м×с×град));

с - коэффициент теплоемкости, м/с2;

l - длина поверхности испарения по направлению движения воздуха, м.

Обработка результатов экспериментального исследования процессов испарения нефтепродуктов дала возможность получить следующую зависимость, которая может быть использована для определения коэффициента массопередачи КХ [28]:

(13.26)

где индекс "г" свидетельствует о том, что значение данного критерия необходимо брать для газовой фазы.

Величины А и n уравнения (13.26) зависят от числа Рейнольдса и приведены в табл. 13.2. [28].

Таблица 13.2.

Значения констант уравнения (13.26).

Re 1…200 200….6000 6000…70 000
А 0.9 0.87 0.347
n 0.5 0.54 0.65

 

Средняя концентрация в пограничном слое испарения определена выражением (13.3) при n=2. Движущая сила массопереноса DС, входящая в уравнение (13.23), представляет собой среднюю логарифмическую разность концентрации DСБ в пограничном слое испаряющейся жидкости и DСМ - концентрации в движущемся воздухе (рис. 13.4):

(13.27)

Так как по абсолютной величине значение концентраций всегда меньше единицы и тем более мало значение DСБ и DСМ, то среднее значение движущей силы массопередачи DС можно принять как среднее арифметическое между средней концентрацией в пограничном слое и в самой удаленной точке воздуха:

(13.28)

или

(13.29)

где СS - концентрация насыщенных паров при температуре испарения, объемные доли;

Р0 - атмосферное давление, Па;

РS - давление насыщенных паров при температуре испарения, Па.

Таким образом, определив из (13.26) величину коэффициента КХ и из формулы (13. 29) движущую силу массопередачи DССР, можно найти по формуле (13.23) массу испарившегося нефтепродукта за любой промежуток времени.

Коэффициенты диффузии при данной температуре Т и данном давлении Р вычисляются по формуле:

(13.30)

где D0 - значение коэффициента диффузии при Т0=273.15 К и давлении Р0=101.325 кПа (справочная величина);

Р - действующее давление, кПа;

Т - температура, К;

n - эмпирический показатель (справочная для данного нефтепродукта величина).

Пример 13.4.

Определить массу ацетона, испарившегося с площади 1 м2 в течение 1 часа при температуре 20°С и скорости ветра над поверхностью испарения 0.5 м/с.

Вязкость воздуха при температуре 20°С равна 15.3×10 - 6 м2/с.

Давление воздуха равно 101.325 кПа.

Решение.

1. Длина линии испарения l = 1 м. Значение критерия Рейнольдса при этом составит:

2. Для определения значения критерия Нуссельта необходимо определить коэффициент диффузии ацетона:

3. Критерий Прандтля:

4. Критерий Гухмана:

,

где r - теплота испарения ацетона, равная 125 ккал/кг;

a - коэффициент теплообмена, равный 2 ккал/м2×с×град.

5. По величине критерия Re находим из табл. 13.2 коэффициенты А=0.347, n=0.65,

тогда:

или, с учетом формулы критерия Нуссельта, приведенной в табл. 13.1:

6. Движущая сила массопередачи согласно (13.29):

7. Масса испарившегося ацетона согласно (13.23):

Приведенный пример наглядно демонстрирует трудоемкость процесса расчета массы испарившегося нефтепродукта в реальных метеоусловиях, а также необходимость использования большого числа констант. Кроме того, при выводе формулы вычисления DС приняты существенные допущения о средней концентрации паров в пограничном слое.

Наибольшее распространение в настоящее время имеет методика, определенная ПБ 09-540-03 [27].

Согласно этой методике масса испарившейся жидкости (масса паров жидкости) определяется по формуле:

(13.31)

Здесь GИ – масса испарившегося нефтепродукта, кг;

М – молярная масса нефтепродукта, г/моль;

РS – давление насыщенных паров, кПа;

t – время испарения, с;

Fж - площадь зеркала жидкости (площадь испарения), м2;

h - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость ветра над поверхностью испарения (табл. 12.7).

Подставив в (13.31) исходные данные примера 13.4 при коэффициенте h равном 5.4, что соответствует скорости ветра 0.5 м/с и температуре 20°С, получим значение массы испарившегося ацетона:

где

Расхождение вычислений массы испарившегося за один час ацетона, вычисленного по изложенной выше методике и по формуле, рекомендованной ПБ 09-170-97 [29] и ПБ 09-540-03 [27] составляет около 40%.

Понятие взрывоопасной зоны и оценка ее размеров являются исключительно важными для прогноза масштабов возможного ущерба при авариях с нефтепродуктами.

Эксперименты, проведенные на железнодорожной сливно-наливной эстакаде при операциях с бензином А-66 с температурой 18..26°С и при температуре воздуха 19.6°С, скорости ветра с подветренной стороны эстакады от штиля до 2.15 м/с, показали, что при концентрации паров бензина, равной 2.5 г/м3 пожароопасная зона загазованности достигла 60 м. При изменении скорости ветра от 2.15 м/с до 5 м/с вероятность возникновения зоны загазованности на эстакаде резко падает практически до нуля. При скорости ветра менее 2 м/с зона опасной загазованности практически не распространяется за пределы эстакады.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...