Особливості випаровування перегрітих рідин

Легкозаймисті та горючі рідини можуть перебувати в ємкостях (апаратах) при температурах, нижчих від точки кипіння і при нормальному тиску, а також і при підвищеному тиску і температурах, вищих від точки кипіння. В останньому випадку такі рідини називають «перегрітими» і тиск їх насичених парів вищий від атмосферного, тобто тиск в апаратах надлишковий.

Якщо цей тиск перевищує 0,7 атм (70 кПа), то апарат вважається потенційно небезпечним щодо реалізації сценарію фізичного вибуху. Тепло перегріву рідини (різниця між внутрішньою енергією перегрітої рідини Q_п та внутрішньою енергією цієї ж рідини в стані кипіння Q_к) миттєво вивільняється при розгерметизації ємкості і зумовленому цим падінні тиску над поверхнею рідини до атмосферного. Вивільнена надлишкова енергія перегрітої рідини реалізується на її часткове випаровування.

Оскільки цей процес пароутворення перебігає за короткий час (< 0,1 сек), то в приміщенні з розгерметизованим апаратом миттєво зростає тиск, що призводить до руйнування будівлі, тобто до аварії.

Приклад: В приміщенні об’ємом V= 100 м³ у ємкості міститься 1 м³ (1 тн) перегрітої до 350⁰С води під тиском 4,0 МПа (40 атм). При аварійній розгерметизації ємкості вся вода за рахунок тепла перегріву перетворюється в пару з температурою ~ 225⁰С. За умови постійності тиску (Р =101,3 кПа) утворена пара займе об’єм V_пар

V_пар = м³

Оскільки розгерметизація апарата відбулась у закритому приміщенні об’ємом 100 м³ (тобто аварія відбулась при V=const), то тиск у цьому приміщенні миттєво зросте до 23,7 атм. Це, безумовно, призведе до повного руйнування приміщення з розльотом його фрагментів (уламків) в радіусі 100-200 м і можливим травмуванням людей, які можуть перебувати у цій зоні.

Таким чином, посудини під надлишковим тиском з перегрітою рідиною складають велику потенційну загрозу (небезпеку) незалежно від фізичних чи токсикологічних властивостей рідини. Для випадку наведеного прикладу (в якості рідини – вода) існує лише небезпека фізичного вибуху.

Однак, в багатьох технологічних процесах нерідко в перегрітому стані (при температурі вищій від температури кипіння при нормальному тиску) перебувають горючі рідини. В цьому випадку небезпека експлуатації ємкостей з перегрітими рідинами суттєво зростає внаслідок великої імовірності одночасної реалізації фізичного вибуху разом з тепловим.

Для прикладу, при розгерметизації побутового балону зі зрідженим пропан-бутаном (температура кипіння цієї газової суміші при нормальних умовах Т_к ≈ -32⁰С) відбувається швидке випаровування зрідженого газу. Внаслідок цього рідина, що міститься в балоні (20 кг) займе в газовому стані об’єм приблизно 20 м³, що співрозмірно з розмірами приміщення.

За рахунок цього в приміщенні утвориться надлишковий тиск, як у прикладі з перегрітою водою. Одночасно горючий газ утворить вибухову суміш з киснем повітря і за наявності в приміщенні джерела запалення відбудеться тепловий хімічний вибух. І якщо для руйнування приміщення тиск фізичного вибуху виявився недостатнім, то надлишкового тиску теплового вибуху від енергії окиснення вуглеводнів буде більш ніж достатньо.

Оцінка надлишкової енергії перегрітої рідини, яка може зумовити фізичний вибух, здійснюється за формулою

Q_п=m_p ×c_p×(T_п-T_к), кДж (14)

де m_p – маса перегрітої рідини у ємкості, кг

c_p – теплоємність перегрітої рідини, кДж/(кг град)

T_п і T_к – температури перегрітої рідини та температура її кипіння при нормальному тиску, град

Оскільки, як вже зазначалося, випаровування після розгерметизації ємкості з перегрітою рідиною відбувається за короткий час (< 0,1 с), то можна прийняти, що процес перебігає адіабатично, тобто практично вся (≈100%) теплота перегрітої рідини витрачається на її випаровування. На основі цього постулату можна оцінити масу пари m_пар горючої рідини, яка утвориться за рахунок тепла перегріву:

m_пар = Q_п/λ;, кг (15)

де λ; – питома теплота випаровування, кДж/кг, яка наводиться в довідниках або в таблиці додатку 4.

Визначена за формулою (15) маса парів ГР враховується при знаходженні загальної маси парів ГР (ЛЗР) за формулою (11).

Розрахунок маси пари горючої рідини у вибуховій суміші (m) проводиться за формулами (11-13) для пролитих рідин та рідин, вивільнених при температурі, нижчій від температури кипіння. Для перегрітих рідин розрахунок m слідпроводити за формулами (14-15)

У випадках, коли частина рідини випаровується миттєво, а частина – протягом певного проміжку (вказаного в умові задачі або прийнятого з умови τ_max = 3600 c), - маса ГР визначається так:

m = m_миттєв + m_τ (16)

де m_миттєв – маса рідини, випаровується миттєво, розраховується з (15)

m_τ – маса ГР, яка виходить з апарата і випаровується впродовж часу τ;. Визначається за формулами 11-13)

Якщо маса пари ГР, розрахована за (15) на базі надлишкового тепла перегрітої рідини, перевищує масу рідини, задану умовами завдання, то робиться висновок, що енергія перегріву рідини перевищує енергію, необхідну для повного випаровування ГР;

Якщо маса пари ГР, розрахована за (11-13), перевищує масу рідини, задану умовами задачі, то робиться висновок, що максимальний час, прийнятий для розрахунку (τ_max = 3600 c) перевищує реально необхідний час для випаровування всієї маси горючої рідини.

В обох випадках приймається, що випаровувана маса ГР рівна фактичній масі, зазначеній в умовах завдання (варіанту).