Modeling the behaviour of pressurized vessels exposed to fires through Computational Fluid Dynamics

Accidental events in the process industry can lead to the release of hazardous substances by inducing the catastrophic rupture of equipment, resulting in possible accident escalation. This type of event, in which a primary event is propagated to other units, is usually indicated as a “Domino Effect” and is typically associated to an amplification in the consequences. This type of accident may severely affect also tankers for the shipment by road or rail of hazardous substances leading to high levels of individual and social risk in highly populated areas. In the case of fires affecting tankers containing flammable pressurized liquefied gases (e.g., propane, butane, propylene, etc.), the effects of this event may lead to BLEVE (“Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion”) and the associated fireball, with extremely severe consequences. This chain of events has actually occured several times over the years, both in chemical and process plants, but also in the framework of dangerous goods road and rail. For this reason, since the 1970, this accident scenario was investigated through large scale experiment and pilot tests, in order to test the response capabilities of the PRV (“Pressure Relief Valve”) and the effectiveness of the thermal protection such as fireproofing, installed on storage and tranport equipment. In addition, starting from the same period, researchers began to develop numerical models, which are currently increasing in complexity and capabilities due to more advanced computational resources. The aim of the present work is to demonstrate the capabilities of commercially available CFD (“Computational Fluid Dynamics”) codes for modeling thermo–fluid dynamics of tank containing pressurized liquified gases. ANSYS® FLUENT® v.14.5 software was used to set up the simulations. The CFD code allows to carry out a complete analysis of the heat transfer and the fluid motion which is generated in the stored substance due to the buoyancy forces. The heating of the vessel, due to the external fire, induces a temperature increase in the fluid, that laps the walls internally: the liquid, having higher temperature and less density, due to the gravitational field, rise again up to reach the interface with the vapour. This is the cause that leads to the establishment of the “liquid thermal stratification” in the vessel. In addition to the stratification, it is important to evaluate and predict the dynamics evolution of the liquid–vapour interface in space and time, or rather, the computation of the swelling of the liquid phase during the thermal stratification process, in order to estimate correctly the PRV opening time. These issues were addressed in the ANSYS® FLUENT® v.14.5 software through specific multiphase modelling tools, such as the Volume of Fluid model (VOF). In order to test the reliability of CFD predictions, the fluid dynamic model was validated by comparison with a large scale experimental test carried out in New Mexico (U.S.A.) in 1974. Once the CFD model has been validated, the focus of this work has shifted to the analysis of the peculiar aspect of “liquid thermal stratification” that occurs during the fire exposure, since it plays an essential role during the heat up of the tank. This phenomenon has relevant effects on the increase of pressure inside the vessel and on the energy accumulated in the liquid phase: this energy will be released at the time of catastrophic failure. The vertical temperature gradient affects the pressure build up in the vessel since the hotter liquid layer, that is placed at the liquid–vapour interface, determines the pressure reached from the tank: the above vapour is thermally overheated while the underlying liquid is subcooled. For this evaluation a sensitivity was carried out by varying the liquid filling level in the tank, the incident heat flux on the unprotected walls and geometrical parameters (thickness and diameter of the tank). The sensitivity analysis allowed extrapolating a correlation for assessing the thickness of thermally altered layer in function of the parameters mentioned above and by the pressure in the vessel. The evaluation of the thickness of this altered layer is important to improve the predictive capabilities of a lumped Model, so as not to neglect the stratification effects. Finally, the work discussed the implementation of “advanced boundary conditions” for the incident heat flux, function of the time and space. In particular, it was analysed an accidental scenario that can occur in a storage park of an industrial site: a pool fire resulting from the loss of containment of an atmospheric tank affecting a pressurized vessel. The boundary conditions, obtained using a semplified fires model for the calculation of incident heat flux for each point of the wall, were subsequently implemented on the CFD code through the construction of a dedicated User Defined Function (UDF). The results of this work demonstrated the capabilities of CFD models in supporting the analysis of complex accidental scenarios in order to supported advanced risk assessment studies. Gli eventi accidentali nell’ industria di processo possono portare al rilascio di sostanze pericolose inducendo la rottura catastrofica di apparecchiature, con conseguente possibile escalation di un incidente. Questo tipo di evento, in cui un evento primario è propagato ad altre unità, è generalmente conosciuto come “Effetto Domino” ed è tipicamente associato ad un amplificazione nelle conseguenze. Questo tipo di incidente può colpire anche serbatoi per il trasporto su strada o ferrovia di sostanze pericolose portando ad alti livelli di rischio individuale e sociale nelle zone ad elevata densità di popolazione. Nel caso di incendi che interessano serbatoi contenenti gas liquefatti in pressione (propane, butane, propylene, etc.), gli effetti di questo evento possono portare al BLEVE (“Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion”) e alla Fireball associata, con conseguenze estremamente gravi. Questa catena di eventi si è realmente verificata varie volte nel corso degli anni, sia in impianti chimici e di processo, sia nel trasporto ferroviario e stradale di tali sostanze. Per questo motivo, fin dagli anni ’70 questo scenario incidentale è stato investigato attraverso test su larga scala e prove pilota, in modo da testare la capacità di risposta della PRV ( Valvola di Rilascio della Pressione) e l’efficacia delle protezioni termiche associate all’apparecchiatura. Inoltre, nello stesso periodo, i ricercatori iniziarono a sviluppare i primi modelli numerici, che sono in continuo incremento in complessità e capacità a causa dell’aumento delle potenze computazionali. L’obiettivo del presente lavoro è dimostrare la capacità dei codici CFD (Fluidodinamica Computazionale) disponibili in commercio per la modellazione termo–fluidodinamica di serbatoio contenenti gas liquefatto in pressione. Per effettuare le simulazioni è stato utilizzato il software commerciale Ansys®Fluent® v. 14.5. Il codice CFD permette di effettuare una completa analisi fluidodinamica dello scambio termico e del profilo di moto che è generato nel fluido stoccato a causa delle forze gravitazionali. Il riscaldamento del serbatoio, dovuto all’incendio esterno, induce un incremento di temperatura nel fluido che ne lambisce internamente le pareti: il liquido avente maggiore temperatura e minor denso, per effetto del campo gravitazionale, risale fino a raggiungere l’interfaccia con il vapore. Questa è la causa che porta all’ istituzione della stratificazione termica del liquido stoccato nel serbatoio. Oltre alla stratificazione, è importante valutare e predire l’evoluzione dinamica dell’interfaccia liquido–vapore nello spazio e nel tempo, o meglio, la computazione della dilatazione della fase liquida durante il processo di stratificazione termica, al fine di stimare correttamente il tempo di apertura della PRV. Il software Ansys®Fluent® v. 14.5 dispone di un modello multifase specifico per il monitoraggio in stato stazionario e transitorio, di qualsiasi interfaccia gas–liquido: il Volume of Fluid Model (VOF). Per dimostrare la veridicità del codice CFD, il modello fluidodinamico è stato validato attraverso il confronto con un test sperimentale su larga scala effettuato nel 1974 in New Mexico (U.S.A.). Una volta che il modello CFD è stato validato, il focus del presente lavoro si è spostato sugli aspetti peculiari della “stratificazione termica” della fase liquida durante l’esposizione al fuoco, in quanto questa riveste un ruolo essenziale nella risposta del serbatoio. Questo fenomeno ha effetti sull’aumento di pressione all’interno del serbatoio e sull’energia immagazzinata dalla fase liquida: questa energia sarà poi rilasciata al momento della rottura catastrofica. Il gradiente di temperatura verticale regola la pressione nel vessel poichè lo strato di liquido più caldo, che si colloca presso l’interfaccia liquido–vapore, determina la pressione raggiunta dal serbatoio: il vapore sovrastante è termicamente surriscaldato mentre il liquido sottostante è sottoraffreddato. Per questa valutazione è stato necessario effettuare un’analisi di sensitività andando a variare il livello di riempimento di liquido nel serbatoio, il flusso termico incidente sulle pareti non protette e i parametri geometrici (spessore e diametro del serbatoio). L’analisi di sensitività ha permesso di estrapolare una correlazione per la valutazione dello spessore della strato termicamente alterato in funzione dei parametri precedentemente citati e della pressione nel serbatoio. La valutazione di questo strato è importante per migliorare le capacità predittive di un modello a parametri concentrati, in modo da non trascurare l’effetto della stratificazione. L’ultima parte del lavoro mira all’ implemetazione di “advanced boundary conditions” per il flusso termico incidente sulle pareti del serbatoio, variabili nel tempo e nello spazio. In particolare, è stato analizzato una scenario incidentale che può verificarsi in un parco stoccaggi di un sito industriale: un pool fire derivante dalla perdita di contenimento di un serbatoio atmosferico può propagarsi e recare danni ai serbatoi pressurizzati presenti nelle vicinanze. Le condizioni al contorno, ottenute usando modelli semplificati di incendio per il calcolo del flusso termico incidente in ogni punto della parete, sono stati successivamente implementate sul codice CFD attraverso la costruzione di una dedicata User Defined Function (UFD). I risultati di questo lavoro hanno dimostrato le capacità dei modelli CFD nel sostenere l’analisi di complessi scenari incidentali pr studi di valutazione del rischio con strumenti avanzati