Введение
Аварийные выбросы углеводородных смесей в нефтегазовой отрасли сопряжены с риском взрывов и пожаров. Ключевым фактором, определяющим масштаб последствий, является распределение компонентов между жидкой и паровой фазами. В данной работе исследуется поведение смеси: этана (0,2% об.), пропана (0,2% об.) и пентана (0,6% об.) при аварийной разгерметизации сосуда. На примере вертикального аппарата (Рраб. = 9 атм., Траб.=30°С) показано, как положение отверстия (истечение газовой/жидкой фазы) влияет на формирование взрывоопасного облака.
Цели и задачи исследования
- Исследование влияния параметров фазового равновесия многокомпонентной смеси на последствия аварийного выброса, при котором смесь находится одновременно в жидкой и газовой фазах при заданных температуре и давлении.
- Оценка рисков, связанных с выбросом газа через отверстие, с последующим сравнением этих рисков с рисками, связанными с выбросом жидкой фазы.
Фазовое равновесие в аппарате
Для начала определимся, что такое фазовое равновесие. Это состояние в гетерогенных системах (неоднородная система, состоящая минимум из двух фаз), при котором не происходит химического взаимодействия, а происходит только переход вещества из одного агрегатного состояния в другое или из одной модификации в другую без изменения химического состава.
Основными параметрами, влияющими на фазовое равновесие, являются:
- Температура;
- Давление;
- Состав системы;
- Химический потенциал.
При изменении этих параметров происходит смещение равновесия между фазами. Например, при повышении температуры химический потенциал компонента в газовой фазе снижается, что приводит к испарению жидкости до выравнивания химических потенциалов фаз.
Чтобы понимать в каких агрегатных состояниях (газ/жидкость) находятся компоненты системы при заданных давлении и температуре необходимо проанализировать состояния смеси:
- Правило фаз Гиббса.
С помощью этого правила, можно понять, что система тривариантная и соответственно можно менять температуру, давление или состава без нарушения равновесия.
F=K+2-Ф=3+2-2=3, (1)
Где F – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз.
- Критические параметры
Таблица 1. Сравнение с критическими параметрами
| Компонент | Критическая температура, °С | Критическое давление, атм | Давление насыщенных паров при 30 °С, атм | Агрегатное состояние |
| Этан | 32,3 | 48,2 | 45,89 | Газ |
| Пропан | 96,8 | 42 | 10,86 | Газ + Жидкость |
| Пентан | 196,6 | 33,1 | 0,80 | Жидкость |
Из таблицы видно, что при заданных условиях:
- Этан находится в газообразном состоянии, так как температура ниже критической (30 °С < 32,3 °С), а давление значительно ниже давления насыщенных паров (9 атм < 45,89 атм);
- Пропан частично конденсируется, поскольку давление близко к давлению насыщенных паров (9 атм < 10,86 атм);
- Пентан находится в жидком состоянии, так как температура и давление ниже критических значений.
Проведенный небольшой анализ фазового состояния углеводородных компонентов при заданных условиях позволил установить: компоненты находятся в разных фазовых состояниях при этом соблюдается равновесие.
Моделирование влияния фазового равновесия на последствия аварийных выбросов многокомпонентных смесей
Для получения достоверных результатов необходимо создать виртуальную модель аварийной ситуации, которая позволит детально изучить все процессы без реальных рисков. Методология исследования предусматривает реализацию двух альтернативных сценариев развития аварийной ситуации, при которых ключевым параметром вариативности выступает расположение выходного отверстия резервуара.
Для моделирования принимаем следующие условия:
- Вертикальный цилиндрический аппарат радиусом 1 м, высотой 4 м, объемом 12,25 м3;
- Температура в аппарате: 30 °С;
- Давление в аппарате: 9 атмосфер;
- Уровень жидкости в аппарате: 0,98 м (24,5 %)
- Выходные отверстия:
Сценарий 1: Истечение газовой фазы (отверстие расположено на уровне 2,5 м, диаметром 0,05 м)
Сценарий 2: Истечение жидкой фазы (отверстие расположено на уровне 0,5 м, диаметром 0,05 м)
В ходе исследования результатов моделирования выявлено: сценарий 2 демонстрирует более высокий уровень опасности по сравнению со сценарием 1. Разница в опасности между сценариями связана с физико-химическими процессами, происходящими при выбросе вещества.
Таблица 2. Результаты моделирования
| Параметр | Сценарий 1 | Сценарий 2 |
| Масса для взрыва, кг | 39,2 | 42,77 |
| Стехиометрическая концентрация смеси в воздухе, кг/м3 | 0,075918 | 0,076234 |
| НКПР, кг/м3 | 0,0411 | 0,0413 |
| ВКПР, кг/м3 | 0,1974 | 0,2007 |
Анализ опасности
При реализации аварийных ситуаций происходит выброс углеводородных смесей в атмосферный воздух, что инициирует сложный процесс их рассеивания в окружающей среде. Газовая фаза демонстрирует различное поведение отдельных компонентов: легкие фракции, такие как этан, характеризуются равномерным распределением в атмосфере, в то время как более тяжелые компоненты, например пропан, с плотностью превышающей плотность воздуха, склонны к аккумуляции в приземных слоях атмосферы. В результате формируется общая стехиометрическая концентрация смеси в воздухе, достигающая 0,075918 кг/м³.
Данный феномен обусловлен резким падением давления при разгерметизации системы, что приводит к стремительному переходу части жидкости в газообразное состояние в соответствии с принципом Ле Шателье. Так система стремится быстро вернуться в новое состояние равновесия. Примечательно, что при изменении давления с 9 атмосфер до атмосферного значения существенно изменяется температура кипения пентана, что влияет на кинетику процесса испарения (рисунок 1). Новая температура кипения рассчитывалась из уравнения зависимости давления насыщенного пара вещества от температуры (рисунок 1).
Компенсаторная реакция системы на изменение внешних условий проявляется в увеличении газовой фазы. При этом процесс испарения сопровождается эндотермическим эффектом, что приводит к понижению температуры жидкости и частичному восстановлению равновесия. Дополнительным фактором, влияющим на динамику испарения, является процесс аэрозолизации, при котором жидкая фаза диспергируется на отдельные капли. Данное явление существенно уменьшает эффективную площадь поверхности испарения, что приводит к замедлению процесса потери давления в системе.
Рисунок 1. Температура кипения пентана
Количественная оценка потенциального объема газообразования при аварийных ситуациях является критически важным параметром для обеспечения промышленной безопасности. Особую значимость приобретает коэффициент объемного расширения, характеризующий изменение объема вещества при фазовом переходе из жидкого состояния в газообразное. Иначе говоря, это показатель, который показывает, насколько сильно вещество увеличивается в объеме при нагревании или переходе из жидкого состояния в газообразное. Физико-химическая характеристика объемного расширения демонстрирует существенные различия для различных компонентов углеводородных смесей. В связи с этим возникает обязательное требование заполнять резервуары не более чем на 85% их полной вместимости, оставляя свободное пространство в верхней части для формирования газовой прослойки и для оборудования емкости азотной подушкой.
Экспериментальное моделирование аварийных ситуаций позволило провести сравнительный анализ различных сценариев развития событий. В дополнение к базовым сценариям 1 и 2 были разработаны и проанализированы сценарии 3 и 4 при идентичных условиях, но с измененным уровнем заполнения аппарата до отметки 2,42 м (60,5% от общего объема).
Таблица 2. Результаты моделирования
| Параметр | Сценарий 3 | Сценарий 4 |
| Масса для взрыва, кг | 6,02 | 1,43 |
| Стехиометрическая концентрация смеси в воздухе, кг/м3 | 0,077837 | 0,075368 |
| НКПР, кг/м3 | 0,0423 | 0,0405 |
| ВКПР, кг/м3 | 0,2209 | 0,1947 |
Из таблицы № 2 мы также наблюдаем, что сценарий с истечением жидкости приобретает больший риск, чем сценарий истечения газа.
Вывод
Проведенный анализ фазового равновесия многокомпонентной смеси (этан, пропан, пентан) при аварийном выбросе показал, что наибольшую опасность представляет истечение жидкой фазы. Несмотря на кажущуюся угрозу сжатых газов, именно сжиженные углеводороды при разгерметизации резервуара приводят к интенсивному испарению, формированию взрывоопасных концентраций и накоплению тяжелых фракций в приземном слое.
Результаты моделирования подтвердили, что сценарий с выбросом жидкости (Сценарий 2) характеризуется большей массой вещества, способного к воспламенению, по сравнению с газовой фазой (Сценарий 1). Это связано с резким падением давления, испарением жидкости и эндотермическим эффектом, который, хотя и замедляет процесс, не компенсирует риска. Дополнительные расчеты для аппарата с повышенным уровнем заполнения (Сценарии 3 и 4) также продемонстрировали приоритетную опасность жидкой фазы.
Критически важно учитывать эти данные при проектировании систем безопасности. Защита должна быть ориентирована не только на газовые зоны, но и на участки с жидкой фазой, включая контроль заполнения резервуаров (не более 85% объема) и применение превентивных мер, таких как азотные подушки. Упущение этих факторов может привести к катастрофическим последствиям, поскольку даже незначительные изменения давления или температуры способны нарушить хрупкое фазовое равновесие и спровоцировать цепь опасных процессов.