Оценка влияния абсорбции на эффективность водяной завесы при залповом выбросе аммиака на основе численного моделирования Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 614.8

К. М. Кузнецов, А. Д. Галеев, И. Р. Насыров, С. И. Поникаров

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АБСОРБЦИИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОДЯНОЙ ЗАВЕСЫ ПРИ ЗАЛПОВОМ ВЫБРОСЕ АММИАКА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Ключевые слова: залповый выброс аммиака, численное моделирование, распространение газа, водяная завеса, абсорбция газа.

Рассмотрено влияние абсорбции газа на эффективность водяной завесы при залповом выбросе аммиака на основе численного моделирования.

Keywords: ammonia release, numerical modeling, gas dispersion, water curtain, gas absorption.

In this article the effect of gas absorption on the water curtain efficiency in the case of ammonia instantaneous release was investigated.

Введение

При современных объемах обращающихся на транспорте и производстве аварийно химически опасных веществ (АХОВ) большое значение имеет поиск методов ограничения распространения токсичных облаков, образующихся при авариях.

Наибольшую опасность представляет залповый выброс токсичного вещества. Данный сценарий может реализоваться как в условиях предприятия химической промышленности, так и при перевозке, вблизи населенных пунктов. При ограничении распространения облака опасного химического вещества чаще всего используется водяная завеса [1, 2].

Постановка водяных завес с целью уменьшения зоны заражения позволяет значительно снизить ущерб от выброса АХОВ, а также число погибших и пострадавших от воздействия поражающих факторов [3, 4].

При постановке водяной завесы происходит рассеивание токсичного облака, это происходит за счет нескольких механизмов[5]:

- водяные струи захватывают с собой воздух, что приводит к интенсивному перемешиванию и разбавлению парогазовоздушного облака;

- поток воздуха выводит пары сжиженного газа или токсичного вещества из приземного слоя;

- теплообмен облака с каплями воды и захваченным воздухом вызывает естественную конвекцию;

- при взаимодействии завесы с опасным веществом происходит абсорбция последнего каплями воды;

На сегодняшний день в России практически отсутствуют нормативные документы,

регламентирующие водяные завесы, их параметры и характеристики. Также отсутствуют сведения об эффективности механизмов воздействия водяной завесы на облако опасного химического вещества. Это связано с тем, что механизм взаимодействия водяной завесы и облака слабо изучен.

В работе [6] приводится распределение токсодоз по оси облака на высоте у = 0,1 м при изменении давления истечения воды и скорости ветра в условиях наличия водяной завесы. Сценарий аварии: залповый выброс 30 т аммиака.

В данной работе в качестве исходной была взята задача, решаемая в статье [6], но учет абсорбции газа каплями воды не производился, чтобы, во-первых, проанализировать результаты и сравнить их с данными полученными ранее [6], а во-вторых, оценить степень влияния данного механизма при расчетах эффективности водяной завесы.

Были проведен анализ публикаций зарубежных исследователей [7, 8], в которых приводится описание поставленных экспериментов, и предлагаются модели по оценке эффективности водяных завес. Однако эти модели или используют упрощенные уравнения балансов [7], или имеют особенности, например, модель в работе [8]. Поэтому авторы статьи считают, что решать поставленную задачу целесообразно с использованием современных методов вычислительной гидродинамики.

Математическая модель

Математическое описание взаимодействия облака опасного химического вещества и водяной завесы включает две части

- система уравнений, описывающих движение АХОВ в воздухе;

- система уравнений для водяной завесы.

Первая часть подробно рассматривается в работе

[9] и в настоящей статье не приводится вследствие большого объема

При описании поведения дисперсной фазы в воздухе были сделаны допущения:

- форма капель сферическая;

- турбулентные пульсации не влияют на движение выброса;

- попадая на твердую поверхность, капли воды удаляются;

- капли воды друг с другом не взаимодействуют.

Описание движения капель водяной завесы

осуществляется с использованием смешанного Эйлерово-Лагранжева подхода. Данный подход подразумевает решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса для несущей фазы. При этом вся дисперсная фаза разбивается на множество отдельных групп капель, в каждой группе параметры всех капель принимаются равными. Это дает возможность наблюдать за поведением всей группы,

рассчитывая движение лишь одного ее представителя [10].

Расчет движения капли производится путем интегрирования уравнения равновесия сил, записанного в Лагранжевой системе координат [10]:

dup F í \ + gi(Pp ~P)

if = fd ( - uP

(1)

где up - проекция вектора скорости дисперсной фазы на ось x, м/с; ui - проекция вектора скорости дисперсионной среды на ось x, м/с; pp - плотность дисперсной фазы, кг/м3; р - плотность дисперсионной среды, кг/м3; t -время, с; FD(ul-up) - удельная сила сопротивления движению капли, м/с2 [10]:

18-ц cd • Red

fd =

РР • dP

24

(2)

где ц - коэффициент динамической молекулярной вязкости дисперсионной среды, Па-с; Red - число Рейнольдса; dp - диаметр капли, м; CD - коэффициент сопротивления для частиц сферической формы определяется из соотношения [10]:

Cd И

24

Red

' Re2/3 ^ 1 + Re¿

0,424,

Red < 1000

Red > 1000

(3)

Число Рейнольдса Red определяется по формуле:

-u,

Red =

P-dР V

(4)

Скорость капли, найденная по уравнению (1), используется для расчета ее траектории в направлении оси х:

ах

d= up

(5)

Уравнения (1) - (5) решаются также для осей у и 7, что дает нам полную информацию о траектории капли.

Интенсивность испарения (конденсации) компонентов капель определяется по уравнению [10]:

атР1

-^ = -№-А-М- (6)

л 1 р 1

где атр1 - масса 1-го компонента капли, кг; N. -мольный расход 1-го компонента пара, моль/м2-с; Ар - площадь поверхности капли, м2; М1 - молярная

масса 1-го компонента капли, кг/моль.

Молярный расход 1-го компонента пара с поверхности капли равен [10]:

N =Р(с„ -С,,„) (7)

где в - коэффициент массоотдачи, м/с; С18 -концентрация 1-го компонента у поверхности капли, моль/м3; С1М - концентрация 1-го компонента в окружающей среде, моль/м3.

Коэффициент массоотдачи в находится из уравнения:

ЯИ - Бт1

р = -

dP

Sh = 2,0 + 0,6Red/2 • Sc1/3,

(8)

где Бт 1 - коэффициент молекулярной диффузии 1-го

компонента в смеси, м2/с; Яс - число Шмидта, определяемое из соотношения:

Sc . (9)

Изменение температуры соотношением [10]:

dTp / , ^dmpl

капли определяется

mpcp,p

aH

(10)

л ■ р \ » Р/ ^ л

где СРр - теплоемкость капли, Дж/(кг-К); а8 -коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2-К); Тм - локальная температура дисперсионной среды, К.

Коэффициент конвективной теплоотдачи а8 определяется через эмпирическую зависимость [10]:

Nu =-

• dp

= 2,0 + 0,6Red/2 Pr1/3

(11)

Учет обратного влияния капель воды на дисперсионную среду, вызванного межфазным обменом теплотой, импульсом и массой, производится добавлением соответствующих источниковых членов в уравнения переноса энергии, импульса и массы, а также в уравнение неразрывности для дисперсионной среды [10].

Изменение импульса среды Б, Н/м3, вызванное гидродинамическим сопротивлением капель, рассчитывается по уравнению [10]:

1 N

F =1 У

Vjí

18^Red

(up - u,)

Л

m jat

(12)

24Рр^

где N - количество капель, прошедших через контрольный объем V; т j - текущий массовый

расход частиц j-й фракции через грань контрольного объема, кг/с.

Источник массы Я, кг/(м3-с), в уравнении неразрывности и уравнении переноса массы, возникающий вследствие испарения капель, определяется по уравнению [10]:

1 ^ Ат;

s = —у

V ^

0,j

(13)

где Аmj - изменение массы ]-й капли при испарении за время прохождения ею объема V, кг; т0 j -

- начальный

начальная масса капли, кг;

0,j

массовый расход частиц ]-й фракции через грань контрольного объема, кг/с.

Сток энергии в газовой фазе Р, Дж/(м3-с), вызванный обменом энергией с каплями, рассчитывается из соотношения [10]: 1 N Ат

Р = -Т7Х-^(( +ср,Р '^К (14)

V 1=1 т00

где А Т - изменение температуры частицы в

рассматриваемом объеме V.

В качестве исходных были взяты данные, приведенные в работе [6]. Там же приведены параметры водяной завесы в зависимости от давления воды перед форсункой. Параметры форсунок выбирались из источника [0] для форсунки ТБ32.

Результаты расчетов

Ниже приведены результаты расчетов токсодозы без учета абсорбции газа каплями воды (рис. 1 - 3).

Рис. 1 - Распределение токсодоз по оси облака на высоте у=0,1 м при изменении давления воды перед форсункой (скорость ветра 1 м/с)

Рис. 2 - Распределение токсодоз по оси облака на высоте у=0,1 м при изменении давления воды перед форсункой (скорость ветра 2,5 м/с)

Рис. 3 - Распределение токсодоз по оси облака на высоте у=0,1 м при изменении давления воды перед форсункой (скорость ветра 5 м/с)

Выводы

Анализируя представленные выше рисунки, можно заметить, что:

- увеличение давления воды перед форсункой приводит к увеличению эффективности завесы;

- с ростом скорости ветра концентрация опасного химического вещества за завесой возрастает;

- на большом удалении от места выброса влияние водяной завесы на концентрацию токсичного вещества незначительно;

- при расчете модели без учета абсорбции при скоростях ветра 2,5 м/с и 5 м/с значения токсодоз при включенной и отключенной завесе на удалении от источника практически совпадают вследствие отсутствия поглощения газа;

- при расчетах без учета абсорбции газа каплями воды размеры зон пороговой и смертельной

токсодозы увеличиваются (подробные результаты приведены в таблице 1), что при сравнении с результатами, приведенными в работе [6], позволяет говорить о том, что степень влияния эффекта абсорбции значительна.

Таблица 1 - Размеры зон токсического поражения

Давление истечения, бар Протяженность зоны летального поражения при различных значениях скорости ветра, м Протяженность зоны порогового поражения при различных значения скорости ветра, м

1 м/с 2,5 м/с 5 м/с 1 м/с 2,5 м/с 5 м/с

Водяная завеса отсутствует

0 99 176 161 417 958 915

Нисходящая водяная завеса включена (с учетом абсорбции газа)

2 25 84 86 529 693 694

5 4 51 49 556 590 583

10 0 26 33 758 684 512

Нисходящая водяная завеса включена (без учета абсорбции газа)

2 35 110 120 593 798 801

5 17 98 110 676 760 772

10 1 66 88 857 797 710

Анализируя результаты, приведенные в таблице, видно, что эффект водяной завесы наиболее заметен на небольших расстояниях: зона летального поражения при давлении воды 5 бар уменьшается более, чем в 3 раза, а при давлении 10 бар - в 4,5 раза.

Расчет величин токсодоз при скорости ветра 1 м/с показал интересный результат, заключающийся в том, что при отсутствии водяной завесы значения токсодозы на удалении от источника опасного химического вещества меньше, чем при включенной завесе. Это связано с тем, что образующаяся смесь аммиак-воздух имеет меньшую плотность, чем окружающая среда и при малой скорости ветра рассеивается в большей степени за счет естественной конвекции, и наличие водяной завесы, находящаяся в приземном слое, не играет большой роли. При увеличении же скорости ветра облако успевает распространиться в направлении ветра на большее расстояние прежде, чем рассеяться. Также существенное значение имеет рециркуляционный поток воздуха, образующийся перед водяной завесой и вызывающий более интенсивное испарение из пролива.

На основании проделанной работы можно сделать вывод, что проведение исследований по ограничению распространения токсичных веществ при использовании водяных завес возможно не только в полевых и лабораторных условиях [12], но и методами вычислительной гидродинамики. Последнее, в свою очередь, позволит сэкономить на проведении экспериментов при проектировании водяных завес на предприятиях химической и нефтегазовой отраслей.

Литература

1. ПБ 09-579-03. Правила безопасности для наземных складов жидкого аммиака (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 5 июня 2003 г. № 62)

2. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности производств хлора и хлорсодержащих сред" (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 20 ноября 2013 г. № 554)

3. Шильникова Н.В. Использование нестандартной абсорбционной колонны при аварийных выбросах хлора в водоподготовке. / Шильникова Н.В., Чепегин И.В. // Вестн. Казан. технол. ун.-та. - 2012. -№.7. - С.158-162.

4. Насибуллин Р.Р. Методы и средства ограничения опасных веществ при аварийных выбросах и проливах. / Насыбуллин Р.Р., Галеев А.Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан. технол. ун.-та. - 2013. -№.4. - С.221-213.

5. G. Dusserre, A. Dandrieux, and O.Thomas, TheDVS model: A new concept for heavy gas dispersionby water curtain, Environ Model Software 18, 2003, p. 253-259.

6. Кузнецов К.М. Влияние водяной завесы на последствия залпового выброса аммиака. / Кузнецов К.М., Галеев А.Д., Поникаров С.И. // Вестн. технол. ун.-та. - 2015. -№.8. - С.224-217.

7. Emilio Palazzi , Fabio Curro& Bruno Fabiano. MATHEMATICAL MODELING OF FLUID SPRAY CURTAINS FOR MITIGATION OF ACCIDENTAL RELEASES, Chemical Engineering Communications, № 194:4, р.446-463.

8. Byung Kyu Kim, Dedy Ng, Ray A. Mentzer, M. Sam Mannan. Key Parametric Analysis on Designing an Effective Forced Mitigation System for LNG Spill Emergency. Journal of Loss Prevention in the Process Indastries, № XXX, 2013, p. 1-9.

9. А.Д. Галеев. «Моделирование аварийного пролива бинарного раствора с использованием программы FLUENT». / А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, А.А. Салин // Математическое моделирование.- 2011.-№ 23:7. - С.129-144.

10. Fluent Inc. Fluent 6.1 // User's Guide. - Lebanon, 2003.

11. HF Mitigation by Water Sprays. A Summary of Design Considerations by Nozzle Selection. ver. 2.53. 12/18/2008.

12. Кузнецов К.М. Численное моделирование завесы для ограничения распространения токсичного выброса. / Кузнецов К.М., Галеев А.Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан. технол. ун.-та. - 2013. -№.20. - С.303-305.

© К. М. Кузнецов - асп. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; А. Д. Галеев -доц. той же кафедры; И. Р. Насыров - магистр той же кафедры; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.

© К. М. Kuznetsov, Graduate student machines and apparatuses of chemical manufactures KNRTU, [email protected]; А. D. Galeev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of machines and devices of chemical manufactures KNRTU; I. R. Nasyrov, Magister, Department of machines and devices of chemical manufactures KNRTU; S. I. Ponikarov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of machines and devices of chemical production KNRTU.