Испарение в движущуюся среду

Испарение в движущуюся среду происходит вследствие молекулярной и конвективной диффузии.

Массу испарившейся жидкости m_и, кг, находят из уравнения массопередачи:

m_и = K_х F Δj_ср τ , (2.20)

где K_х – коэффициент массопередачи, кг/(м²·с); для установившегося процесса испарения K_х = f (Nu_д , Re, Pr′, Gu); Δj_ср – средняя движущая сила процесса массопереноса, об. доли; если принять, что средняя концентрация в пограничном слое (п. сл.) вблизи поверхности испарения , а на достаточно большом удалении от поверхности испарения , то

Δj_ср = = = . (2.21)

Определение массы испарившейся жидкости в условиях конвективной диффузии с использованием критериальных уравнений связано с достаточно сложными и трудоемкими расчетами и рассматривается в курсе «Теплотехника».

На практике для определения массы испарившейся жидкости m_и, кг, целесообразно использовать следующую эмпирическую зависимость:

m_и = W F τ , (2.22)

где W – интенсивность испарения, кг/(м²×с); величину W определяют экспериментально; допускается для ненагретых жидкостей (при t_р ≤ t_в, здесь
t_в – температура воздуха) величину W определять по формулам:

, (2.23)

где η – коэффициент, зависящий от температуры и скорости движения воздуха вдоль поверхности испарения и изменяющийся в пределах от 1 до 10; р_s – давление насыщенных паров, кПа.

Размеры зоны ВОК оценивают по формуле (2.2). Иные выражения для определения размеров зон ВОК будут рассмотрены в других главах.

Основные способы обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации открытых аппаратов:

1. Создание и поддержание безопасных температурных условий эксплуатации:

. (2.24)

2. Замена открытых аппаратов на аппараты других типов.

3. Укрывание аппаратов крышками в периоды их простоя.

4. Замена ЛВЖ и ГЖ на менее горючие (с более высокой t_всп) или негорючие жидкости.

5. Применение наиболее рациональной конструкции открытых аппаратов с минимальной поверхностью испарения.

6. Устройство местных отсосов.

7. Устройство общеобменной вентиляции.

8. Вынос аппаратов за пределы помещений.

Примечание. Запрещается использование ЛВЖ в открытых аппаратах для обезжиривания и мойки деталей и узлов машин и аппаратов.

2.2.2. «Дышащие» аппараты

«Дышащие» аппараты с горючими жидкостями широко используются в различных отраслях промышленности в качестве мерников, напорных баков, расходных и промежуточных емкостей, хранилищ. Повышение уровня находящейся в таком аппарате жидкости, увеличение температуры или снижение давления окружающей среды приводит к выходу паровоздушной смеси наружу (явление «выдоха»). После завершения операции опорожнения также наблюдается выход паровоздушной смеси из аппарата наружу, что связано с повышением в нем давления вследствие испарения жидкости и насыщения воздуха парами (явление «обратного выдоха»). Указанные явления часто служат причинами взрывов и пожаров, так как приводят к загазованности помещений и образованию взрывоопасных зон на наружных установках. Выход паров из аппаратов приводит также к загрязнению окружающей среды и к большим экономическим потерям. Например, при заполнении бензином стального вертикального резервуара вместимостью 5000 м³ теряется (в среднем) до 5200 кг паров бензина летом и до 3300 кг зимой, а ежесуточные потери бензина вследствие малых дыханий в зависимости от степени заполнения резервуара достигают 40–300 кг.

Необходимо помнить, что зоны ВОК вблизи дыхательных патрубков образуются при выполнении условия t_р t_{всп (з.т)} (где t_р – рабочая температура жидкости; t_{всп (з.т)} – температура вспышки в закрытом тигле) или при выделении из жидкостей растворенных в них горючих газов. Размеры зон ВОК зависят от многих факторов и в первую очередь от количества выходящих из аппарата паров.

Рассмотрим аппарат с дыхательным устройством в начале и конце «большого» дыхания (рис. 2.5). В процессе дыхания из свободного пространства аппарата вместе с воздухом выходят пары горючей жидкости (j_в + j_п = 1). Примем, что пары равномерно распределены в свободном пространстве аппарата, а их концентрация всегда близка к насыщенной.

Введем обозначения:

ПВП – паровоздушное пространство;

m – масса компонента в аппарате, кг;

j – концентрация компонента в аппарате, об. доли;

р – давление, Па;

V – объем паровоздушного пространства, м³;

Т – абсолютная температура паровоздушной смеси, К;

М – молекулярная масса компонента, кг/кмоль;

индексы: в – воздух, п – пары; 1 – состояние 1, 2 – состояние 2.

Из уравнения состояния идеального газа определяем массу воздуха в аппарате:

- находящегося в состоянии 1(см. рис. 2.5):

; (2.25)

- находящегося в состоянии 2(см. рис. 2.5):

. (2.26)

Масса воздуха m_в, кг, вышедшего из аппарата за одно дыхание:

m_в = m_в1 – m_в2 = , (2.27)

где R = 8314,31 Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная.

В то же время массу выходящих из аппарата компонентов паровоздушной смеси можно найти из уравнений:

- воздуха: m_в = V_см ρ_в , (2.28)

- паров: m_п = V_см ρ_п , (2.29)

где V_см – объем паровоздушной смеси, м³; – средняя концентрация паров в смеси, об. доли, величину которой определяют по формуле

,

ρ – плотность компонента смеси, кг/м³.

Решая совместно уравнения (2.28) и (2.29), находим

. (2.30)

Отношение плотностей в этом выражении можно заменить отношением соответствующих молекулярных масс:

. (2.31)

Подставляем значения (2.27) и (2.31) в выражение (2.30) и после сокращений получаем:

. (2.32)

Выражение (2.32) называют общим уравнением потерь паров горючих жидкостей из «дышащих» аппаратов.

Первый частный случай: происходит большое дыхание (аппарат заполняется жидкостью). При этом р₁= р₂= р_бар, Т₁= Т₂= Т_р, j_п1 = j_п2 = j_п и

, (2.33)

где m_пб – потери паров при большом дыхании, кг; V_ж – объем жидкости, поступающей в аппарат, м³; р_бар – атмосферное давление, Па; Т_р – рабочая температура жидкости, К.

Второй частный случай: происходит малое дыхание (изменяется тем­пература паровоздушной смеси). При этом V₁ = V₂ = V_св, р₁ = р₂ = р_бар и

, (2.34)

где m_пм – потери паров при малом дыхании, кг; V_св – свободный объем (объем паровоздушной смеси), м³.

Объем взрывоопасной зоны в помещении, образующейся вблизи дыхательного патрубка, оценивают по формуле (2.2).

При размещении «дышащего» аппарата на наружной установке оценку размеров зоны ВОК необходимо производить с учетом целого ряда факторов, влияющих на мощность выброса и рассеивание паров в атмосфере. Границы зоны ВОК расположены от места выделения горючей смеси из аппарата на расстоянии, которое можно ориентировочно определить по эмпирическим формулам:

- при выходе паровоздушной смеси через дыхательные патрубки подземного железобетонного резервуара с нефтью или нефтепродуктом:

; (2.35)

- при выходе паровоздушной смеси через дыхательные патрубки стального вертикального резервуара с нефтью или нефтепродуктом:

. (2.36)

Здесь Х_НКПР – расстояние, ограничивающее область концентраций, превышающих НКПР (длина зоны ВОК), м; a и b – эмпирические коэффициенты (например, для условий устойчивой атмосферы ширина зоны ВОК Y_НКПР = 0,6Х_НКПР, а = 1,41 и b = 0,793, а для условий неустойчивой атмосферы (при благоприятных условиях для рассеивания) ширина зоны ВОК Y_НКПР = 0,54Х_НКПР, а = 0,224 и b = 0,834); Н – высота источника выброса, м; Q – объемный расход горючей смеси через дыхательный патрубок, м³/с; j_р – концентрация горючего компонента в смеси, об. доли;
j_н – нижний концентрационный предел распространения пламени, об. доли; U – скорость ветра на высоте 2 м от уровня земли, м/с.

Внедрение на предприятиях мероприятий по сокращению потерь паров ЛВЖ из «дышащих» аппаратов позволяет решить сразу три задачи: снизить пожарную опасность, уменьшить загрязнение окружающей среды и повысить экономическую эффективность производства.

Основные способы обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации «дышащих» аппаратов:

1. Ликвидация или уменьшение паровоздушного пространства. Действительно, из формулы (2.32) видно, что при V₁ = V₂ = 0 величина m_п также равна нулю. Основные способы уменьшения или ликвидации паровоздушного пространства были рассмотрены в гл. 1.

2. Установка на дыхательном патрубке аппарата дыхательного клапана для герметизации паровоздушного пространства в периоды простоя аппарата, т. е. в промежутки времени между операциями наполнения или опорожнения. Дыхательный клапан позволяет поддерживать определенные избыточное давление и вакуум в аппарате, обеспечивая минимальные потери летучих компонентов за счет испарения, но не препятствует большим и малым «дыханиям».

Известно множество конструкций дыхательных клапанов, выбираемых в зависимости от назначения аппаратов, их габаритов, конструктивных особенностей, пропускной способности и конкретных условий эксплуатации. На резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов применяются дыхательные клапаны, рассчитанные, исходя из условий прочности и устойчивости конструкций резервуаров, на избыточное давление 2000 Па (200 мм вод. ст.) и вакуум 350 Па (35 мм вод. ст.) – для стальных вертикальных резервуаров или избыточное давление 1000 Па (100 мм вод. ст.) – для железобетонных резервуаров.

На рис. 2.6 и 2.7 показаны непримерзающие дыхательные клапаны. В корпусе дыхательного клапана типа ДК (см. рис. 2.6) расположены два клапанных затвора: один для работы на давление (верхний), другой – на вакуум (нижний). Для создания непримерзающих поверхностей тарелки и седла клапана в местах касания покрыты фторопластом, направляющие втулки и штоки клапана также защищены фтороплас­том. Клапан работает следующим образом: при превышении избыточного давления внутри резервуара выше установочного (допустимого) значения открывается верхний клапан, при образовании вакуума, превышающего установочное значение, – нижний клапан. В первом случае паровоздушная смесь из резервуара сбрасывается в атмосферу (или дыхательную линию), во втором – воздух поступает в резервуар. Как только давление (или вакуум) в резервуаре восстановится до допустимого значения, соответствующий клапан под действием силы тяжести опускается и его тарелка прижимается к седлу. Величина установочного давления (вакуума) в резервуаре регулируется весом самого клапана и груза.

Клапаны типа НДКМ (см. рис. 2.7) отличаются от клапанов типа ДК не только конструктивным исполнением, но и большей (в 2–3 раза) пропускной способностью при одинаковом диаметре патрубка, что позволяет сократить число клапанов, устанавливаемых на резервуаре.

3. Установка диска-отражателя под дыхательным патрубком (рис. 2.8) позволяет избежать интенсивного перемешивания паровоздушной смеси со свежим воздухом, поступающим в резервуар при сливе жидкости.
Последующее наполнение резервуара приводит к выходу из него смеси с концентрацией паров значительно ниже насыщенной (из уравнения (2.32)

видно, что при j_п 0 величина m_п также стремится к нулю).

		10
			11
	6
		10 9 8 7 6 5 4 3 2
		1

4. Хранение горючих жидкостей в герметичных аппаратах под избыточным давлением. Потери паров будут равны нулю, если заключенные в квадратные скобки члены уравнения (2.32) равны между собой:

.

Отсюда можно определить величину давления в аппарате, создаваемого с помощью дыхательного клапана, при котором паровоздушная смесь не будет выходить наружу:

. (2.37)

Рабочее давление в горизонтальных цилиндрических и сферических резервуарах, предназначенных для хранения жидкостей с высокой упругостью насыщенных паров, обычно превышает 0,2–0,3 МПа.

5. Устройство газоуравнительной системы (ГУС) (рис. 2.9). С помощью трубопроводов паровоздушные пространства двух или большего количества аппаратов (резервуаров) с идентичными продуктами соединяются в общую систему. Наибольший эффект при работе ГУС достигается в том случае, когда аппараты работают в противофазе: один из аппаратов наполняется определенным объемом жидкости, а другой – опорожняется от такого же количества жидкости. При несоответствии расходов необходимо устройство газосборника 4 или свечи.

Рис. 2.9. Схема газоуравнительной системы:

1 – резервуары; 2 – газопровод; 3 – предохранительный клапан; 4 – газгольдер;
5 – сборник конденсата; 6 – насос

6. Частичная конденсация пара в концевом обратном холодильнике (рис. 2.10). Пары горючей жидкости, содержащиеся в выдыхаемой из аппарата 3 паровоздушной смеси, при прохождении через холодильник 2 частично конденсируются и стекают в аппарат. Остаточная концентрация пара в выходящей из дыхательной линии смеси определяется температурой хладоносителя (в данном случае воды).

7. Защита от воздействия внешних источников тепла на оборудование с помощью теплоизоляции, солнцезащитных экранов, орошения аппаратов водой, теплоотражающих красок.

8. Вывод дыхательных труб за пределы помещений с предотвращением сброса паровоздушных смесей в зону аэродинамической тени.

9. Использование абсорберов и адсорберов для улавливания паров из выдыхаемых паровоздушных смесей.

10. Приостановка операции наполнения резервуара при неблагоприятных атмосферных условиях, способствующих скоплению паров в приземном слое, и при интенсивной грозовой деятельности.