Термические опасности и термическая безопасность энергонасыщенных веществ, химических процессов и объектов их применения. Методология исследования на базе системного подхода и математического моделирования
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Безопасность труда в промышленности
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 728
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0574-4
Артикул: 766706.01.99
Рассмотрены научные основы, терминология, методология, инструментарий и технология исследования термических опасностей и обеспечения термической безопасности энергонасыщенных веществ, процессов и объектов их применения на базе системного подхода и математического моделирования. Предложены основные сведения, необходимые для практического решения задачи предупреждения катастроф и аварий теплового взрыва в химической промышленности, при транспортировке опасных грузов, в ракетно-космической и оборонной технике. Для специалистов, чья деятельность связана с исследованиями и практическим использованием взрывчатых веществ, ракетного топлива и других энергонасыщенных веществ, материалов, процессов и объектов, представляющих опасность теплового взрыва. Монография может быть полезна преподавателям, студентам, аспирантам и докторантам соответствующих специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 004: Информационные технологии. Вычислительная техника...
- 614: Социальная гигиена. Организация здравоохранения. Санитария. Защита от несчаст. случаев и их предупр.
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 13.04.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
A. Benin, A. Kossoy THERMAL HAZARDS AND THERMAL SAFETY OF ENERGETIC MATERIALS, CHEMICAL PROCESSES AND OBJECTS THE METHODOLOGY OF INVESTIGATION BASED ON THE SYSTEMIC APPROACH AND MATHEMATICAL MODELLING Monograph Moscow Vologda Infra-Ingеneriа 2021
А. И. Бенин, А. А. Коссой ТЕРМИЧЕСКИЕ ОПАСНОСТИ И ТЕРМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ ВЕЩЕСТВ, ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБЪЕКТОВ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НА БАЗЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 614.83:004.942 ББК 30н:22.19 Б46 Р е ц е н з е н т ы : Лисанов Михаил Вячеславович, д-р техн. наук, директор Центра анализа риска ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности» (ЗАО НТЦ ПБ); Зарко Владимир Егорович, д-р физ.-мат. наук, проф., главный научный сотрудник Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского Сибирского отделения РАН, заместитель главного редактора журнала «Физика горения и взрыва»; Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой химической энергетики, декан инженерного химико-технологического факультета Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) Б46 Бенин, А. И. Термические опасности и термическая безопасность энергонасыщенных веществ, химических процессов и объектов их применения. Методология исследования на базе системного подхода и математического моделирования : монография / А. И. Бенин, А. А. Коссой. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 728 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0574-4 Рассмотрены научные основы, терминология, методология, инструментарий и технология исследования термических опасностей и обеспечения термической безопасности энергонасыщенных веществ, процессов и объектов их применения на базе системного подхода и математического моделирования. Предложены основные сведения, необходимые для практического решения задачи предупреждения катастроф и аварий теплового взрыва в химической промышленности, при транспортировке опасных грузов, в ракетнокосмической и оборонной технике. Для специалистов, чья деятельность связана с исследованиями и практическим использованием взрывчатых веществ, ракетного топлива и других энергонасыщенных веществ, материалов, процессов и объектов, представляющих опасность теплового взрыва. Монография может быть полезна преподавателям, студентам, аспирантам и докторантам соответствующих специальностей. Ключевые слова: термическая безопасность, тепловой взрыв, химические реакционные опасности, термические опасности, энергетические материалы, энергонасыщенные вещества, самореагирующие вещества, термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, адиабатическая калориметрия, реакционная калориметрия, кинетическое исследование, кинетическая модель, системный подход, математическое моделирование. УДК 614.83:004.942 ББК 30н:22.19 ISBN 978-5-9729-0574-4 Бенин А. И., Коссой А. А., 2021 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
Мы живем в эпоху катастроф. Или мы привык- нем и смиримся, или все-таки попытаемся их предо- твращать. Процесс возникновения аварии типичен. Схема развития аварии одна и та же, что в Бхопале, что в Чернобыле. Эта проблема требует создания имита- ционных программ и физико-химических моделей, которые бы правильно отражали возможные аварий- ные ситуации. ʤ̡̡̛̖̥̌̔ ˀʤʻ ʦ. ʤ. ʸ̨̖̭̐̌̏ В науке о горении работать легко. Легко пото- му, что есть прочный фундамент, созданный класси- ками науки ² Н. Н. Семеновым и его ближайшими сподвижниками. На этом фундаменте строится дом, высокий и величественный. Он строится не спеша, годы и десятилетия, разными поколениями строи- телей. Несомненно, что от компьютерного экспери- мента можно ждать многое. Важно лишь не забы- вать, что расчеты должны сопровождаться понима- нием результатов. ʤ̡̡̛̖̥̌̔ ˀʤʻ ʤ. ʧ. ʺ̨̖̬̙̦̌̏
ʶˀʤ˃ʶʽʫ ʽʧʸʤʦʸʫʻʰʫ ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................................ 9 ГЛАВА 1. БАЗИСНЫЕ ПОНЯТИЯ ......................................................................................... 15 ГЛАВА 2. АППАРАТ БЕЗОПАСНОСТИ ............................................................................... 31 ГЛАВА 3. ТЕРМИНОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ................................ 51 ГЛАВА 4. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ............................................... 73 ГЛАВА 5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ .............................. 117 ГЛАВА 6. КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ................................................................................................................ 139 ГЛАВА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ КИНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ............................................................. 177 ГЛАВА 8. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ ............ 211 ГЛАВА 9. ПСЕВДОАДИАБАТИЧЕСКАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ ....................................... 259 ГЛАВА 10. РЕАКЦИОННАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ .............................................................. 295 ГЛАВА 11. МЕТОДОЛОГИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ ПОСТРОЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ ..................................................... 317 ГЛАВА 12. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА ПОДСИСТЕМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ЦЕЛЕВОГО ОБЪЕКТА ............................................................. 385 ГЛАВА 13. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА ПРИ КОНДУКТИВНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ ..................................................... 405 ГЛАВА 14. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА В ЖИДКОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ ...................................................................... 433 ГЛАВА 15. ИНДИКАТОРЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ....................................... 475 ГЛАВА 16. ТЕМПЕРАТУРА САМОУСКОРЯЮЩЕГОСЯ РАЗЛОЖЕНИЯ .............. 495 ГЛАВА 17. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ВНУТРЕННЕ БЕЗОПАСНЫХ ПРОЦЕССОВ ............ 527
_ КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ ГЛАВА 18. АВАРИЙНАЯ ЗАЩИТА ОБЪЕКТОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ТЕРМИЧЕСКИМИ ОПАСНОСТЯМИ .............................................................. 553 ГЛАВА 19. КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА ................................................................................... 579 ГЛАВА 20. ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА..................................................... 609 ГЛАВА 21. ТЕРМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА ................................................... 665 ПРИЛОЖЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ, ПРЕДСТАВЛЯЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НАСТОЯЩЕЙ МОНОГРАФИИ ............................................. 703 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ................................................................................................ 713 ОГЛАВЛЕНИЕ ........................................................................................................................... 717
ʿˀʫʪʰˁʸʽʦʰʫ Зачем нужна эта книга Эта книга ² о научных основах, методологии, инструментах и методиках математи- ческого моделирования, используемых в исследованиях, имеющих своей целью обеспечение термической безопасности объектов промышленности, ракетно-космической и оборонной техники, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утили- зации химической продукции, обладающей опасностью теплового взрыва. Обеспечение термической безопасности при обращении энергонасыщенных химиче- ских веществ и материалов (взрывчатых веществ, ракетных топлив, пиротехнических соста- вов, порохов и т. д.), при реализации реакционноопасных процессов химической технологии и транспорта опасных грузов ² важная актуальная проблема для промышленности и оборонно-промышленного комплекса России. Ее суть заключается в необходимости прог- нозирования возможности возникновения теплового взрыва в различных условиях нормаль- ной эксплуатации и в различных аварийных ситуациях для объектов, обладающих опасно- стями теплового взрыва, оптимальном выборе средств защиты и снижения тяжести таких аварий. Тепловой взрыв являлся причиной многих произошедших катастроф и аварий с весьма значительными человеческими жертвами и огромным материальным ущербом. Многие из них могли бы быть предсказаны и предотвращены, если бы анализ термических опасностей был выполнен вовремя с применением надлежащей методологии. Но выполнение такого анализа ² далеко не простая задача, требующая для своего решения применения широкого спектра экспериментальных и расчетных методов, глубоких профессиональных знаний в различных областях науки, большого опыта, наличия и использования современной инфра- структуры научных исследований. Основная объективная трудность анализа термических опасностей и обеспечения тер- мической безопасности объекта заключается в том, что термическая опасность, приводящая к тепловому взрыву, является интегральной характеристикой системы, определяемой сово- купностью трех факторов: химическими свойствами вещества (или смеси веществ), конст- руктивными характеристиками объекта и условиями реализации процесса. Из этого следует, что невозможно получить прогнозное решение о тепловом взрыве только на основании исследования физико-химических и реакционных свойств веществ без учета параметров объекта и условий его функционирования, как нормальных (проектных), так и при различ- ных аварийных ситуациях (проектные, запроектные и гипотетические аварии). Такой анализ требует от исследователя знаний в различных областях науки. Упомянем лишь некоторые: теория безопасности, теория и практика калориметрического эксперимента, химическая кинетика, теплофизика, гидродинамика, методы численного анализа и т. д. К сожалению, практически ни в одном вузе или университете, российском или зарубежном, не готовят специалистов соответствующей квалификации, поэтому исследователю, работаю- щему в области термической безопасности, приходится пополнять свое образование уже в ходе практической деятельности.
_ ПРЕДИСЛОВИЕ Следует отметить, что определенными специальными знаниями в этой области должен обладать не только исследователи, работающие в сфере анализа термической безопасности, но и химики-технологи, разрабатывающие и практически использующие соответствующие процессы и объекты. За рубежом указанный пробел в образовании частично компенсируется наличием ряда монографий и учебников, более или менее последовательно излагающих основы методов исследования термических опасностей, а также специальными курсами. В России соответ- ствующие знания выпускников вузов и университетов, как правило, ограничиваются клас- сической теорией теплового взрыва в рамках курсов физической химии и физики горения и взрыва. Из-за проблем с приборным оснащением, отсутствием переводной литературы и сложностью доступа к оригинальным источникам, многие современные методы и подходы к решению проблем термической безопасности малоизвестны и в России практически не используются. Предлагаемая читателю книга имеет своей целью дать систематическое изложение ба- зового объема знаний о методологии применения, технологии и инструментах исполь- зования математического моделирования в исследованиях, имеющих своей конечной целью обеспечение безопасности объектов химической промышленности, оборонного и ракетнокосмического комплекса, транспорта химических продуктов. Математическое моделиро- вание в данном случае является методом, способом исследования, в результате выполнения которого достигается поставленная цель. Альтернатив математическому моделированию для прогнозирования теплового взрыва просто нет. Это связано с тем, что в большинстве реальных практических ситуаций не су- ществует возможностей (технических и экономических) для проведения натурных испы- таний объектов, для которых выявлена опасность возможности теплового взрыва, а прове- дение таких исследований в лабораторных или стендовых условиях практически всегда требует использования математического моделирования для решения проблемы масштабного перехода. При этом, используя математическое моделирование, нужно всегда помнить о том, что любая модель ² это только определенное приближение объекта. Поэтому, получив те или результаты на математической модели, очень важно выполнить их всестороннюю проверку, в первую очередь, подтвердить результаты математического моделирования экспе- риментально. Немного истории Монография является обобщением результатов многолетней работы авторов по со- зданию методологии, средств, методов и практическом применении системного подхода и математического моделирования для исследования термических опасностей и обеспечения термической безопасности. Работы по проблематике теплового взрыва были начаты авторами еще в начале шести- десятых годов прошлого века в Российском научном центре «Прикладная химия» (ГИПХ). Появление этих работ было связано с необходимостью решения практических проблем ракетно-космической и оборонной техники и было инициативой академика В. С. Шпака и выдающихся ученых Б. И. Бронштейна, И. И. Палеева, О. М. Тодеса. Существенную под- держку развитию этих работ оказал крупный ученый, общественный деятель и организатор науки член-корреспондент РАН Б. В. Гидаспов. Исследования по проблеме теплового взрыва были поставлены и выполнялись параллельно с работами, проводимыми в Институте хими- ческой физики АН СССР (точнее, в его филиале в Черноголовке) под руководством Ф. И. Дубовицкого, А. Г. Мержанова, Г. Б. Манелиса, а также в ряде других организаций оборонно-промышленной отрасли.