CC BY
5
УДК 614.878
ПАРАМЕТРЫ ФАКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ЗАРАЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫБРОСА (ПРОЛИВА) ХЛОРОВОДОРОДА
Г.В. Котов
кандидат химических наук, доцент, заведующий межкафедральной научно-образовательной лабораторией биотехнологии и биохимии
Белорусский государственный педагогический университет
Адрес: 220030, г. Минск, ул. Советская, 18 E-mail: kotovgvQmail.ru
С.Ю. Елисеев
кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры (химии)
Белорусский государственный педагогический университет
Адрес: 220030, г. Минск, ул. Советская, 18 E-mail: yeliseyeuQbspu.by
Аннотация. Статья посвящена проблеме расчета фактической зоны заражения при выбросе опасных химических веществ с применением интерполяционной оценки на основе результатов практических исследований, выполненных в отношении аммиака и хлора. Рассмотрены перспективы применения полуэмпирической модели для расчета параметров фактической зоны заражения, формирующейся при выбросе (проливе) хлороводорода. Предложен способ расчета коэффициента эффективности завесы в отношении инертной примеси и примеси, способной к абсорбционному взаимодействию с водой. С использованием интерполяционной оценки на основе плотности паров и растворимости в воде определены значения глубины фактической зоны заражения, поглощательная способность и коэффициент пропускания водяной завесы в отношении хлороводорода. На основе полученных данных произведен расчет глубины фактической зоны заражения в условиях постановки водяных завес в ходе аварийно-спасательных работ. Дана оценка изменения глубины фактической зоны заражения в результате изменения давления в рукавном распылителе.
Ключевые слова: хлороводород, выброс (пролив), фактическая зона заражения. Цитирование: Котов Г.В., Елисеев С.Ю., Козлова-Козыревская А.Л. Параметры фактической зоны заражения в условиях выброса (пролива) хлороводорода / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2022. № 2 (53). С. 38 - 44.
А.Л. Козлова-Козыревская
кандидат химических наук, доцент, заведующий кафедрой (химии) Белорусский государственный педагогический университет
Адрес: 220030, г. Минск, ул. Советская, 18 E-mail: kozyrevskayaQtut.by
1. Введение
В условиях аварии на химически опасном объекте с выбросом газообразного или способного переходить в газообразное состояние опасного химического вещества, возможно образование паровоздушного облака, распространяющегося в приземном слое атмосферы под действием ветра. Результатом этого становится формирование зоны заражения и возникновение условий токсического поражения людей. Важнейшим фактором, определяющим порядок ведения аварийно-спасательных работ в условиях чрезвычайной ситуации с выбросом опасных химических веществ, являются размеры фактической зоны заражения. В этой зоне превышено значение предельно допустимой концентрации опасного вещества и осуществляется основной объем работ.
Расчет параметров фактической зоны заражения - процесс достаточно сложный и для подавляющего большинства опасных химических веществ задача оперативного прогнозирования остается нерешенной. Существуют нормативные документы, позволяющие осуществлять подобное прогнозирование в условиях выброса (пролива) аммиака и хлора [1, 2], а также полуэмпирическая модель расчета параметров фактической зоны заражения [3].
Распространение газообразного опасного химического вещества в условиях чрезвычайной ситуации происходит от источника выброса (с поверхности жидкого пролива) с ветровым потоком. В соответствии с теорией «тяжелого газа» распространение значительного количества опасной примеси происходит в при-
поверхностном слое атмосферы, что создает угрозу здоровью и жизни людей. Формируется территория, в пределах которой нахождение людей без средств защиты становится невозможным (фактическая зона заражения).
Для ограничения распространения опасных веществ в настоящее время, как правило, применяются водяные завесы. Несмотря на широкое применение водяных завес, достаточно аргументированное их использование имеет место только в случаях аммиака и хлора, что закреплено современной нормативной базой, регламентирующей порядок ведения аварийно-спасательных работ в условиях чрезвычайной ситуации.
2. Расчет фактической зоны заражения
Проблема расчета параметров фактической зоны заражения в условиях выброса (пролива) подавляющего большинства опасных химических веществ остается нерешенной несмотря на значительные усилия в этой области [4, 5, 6]. Рассмотрим возможность применения полуэмпирической модели [3] для расчета параметров фактической зоны заражения в условиях выброса (пролива) хлороводорода.
Полуэмпирическая модель построена на накопленном экспериментальном материале и результатах расчетов относительно двух веществ - аммиака и хлора. Такой подбор веществ не случаен. Во-первых, свойства этих вещества радикально отличаются как по растворимости в воде, так и по плотности паров. Диаметральная противоположность характеристик аммиака и хлора позволяет осуществлять интерполяционные оценки в отношении целого ряда химических веществ. Во-вторых, чрезвычайные ситуации, ставшие последствием аварийных выбросов этих веществ, наиболее распространены, что позволяет использование практических сведений.
Данных о параметрах фактической зоны заражения в условиях пролива хлороводорода в литературе нет. Получить их можно только расчетным путем с использованием интерполяционных оценок параметров фактической зоны заражения в условиях выбросов других веществ, либо с применением моделей расчета, основанных на экспериментальных данных и интер- и экстраполяционных оценках. Интер-
поляционная оценка параметров фактической зоны заражения в условиях выброса хлороводорода может быть осуществлена с использованием данных о параметрах зоны заражения, формирующейся при выбросе аммиака и хлора. Значения плотности паров и растворимости в воде хлороводорода укладываются в интервале значений этих величин для аммиака и хлора.
На основе данных, представленных в нормативных документах [1, 2], методом линейной интерполяции может быть произведена предварительная оценка глубины фактической зоны заражения при выбросе (проливе) хлороводорода. С использованием значений глубины фактической зоны заражения при проливе аммиака Ьат [1] и хлора [2], а также интерполяционного коэффициента плотности хлороводорода крнс1, глубина фактической зоны заражения хлороводородом определяется как
Lнcl — крНС1 {ЪсК~ ^ат) + La
(1)
где крнс1
РНС1 — Рат
+ рат■
РсН Рат
В таблице 1 представлены расчетные значения глубины фактической зоны заражения Lнcl ПРИ проливе хлороводорода площадью 6 м2 при скорости ветра 2, 5 и 7 м/с.
Таблица 1 — Глубина фактической зоны заражения хлороводородом
Скорость ветра
2 м/с 5 м/с 7 м/с
Lнcl 316 233 212
3. Глубина фактической зоны заражения при постановке водяной завесы
В ходе аварийно-спасательных работ при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций с выбросом (проливом) газообразных или способных переходить в газообразное состояние опасных химических веществ, как правило, осуществляется постановка водяных завес [7]. Постановка водяных завес способствует снижению концентрации опасной примеси и уменьшению размеров зоны заражения. Определяющее влияние на размеры зоны заражения оказывают природа опасного вещества,
интенсивность выброса (площадь пролива), метеоусловия и характер местности [8]. Влияние характера местности достаточно важный фактор, связанный с тем, что наличие естественных или искусственных препятствий затрудняет распространение потока примеси [9, 10]. Природа опасного вещества определяет значение предельно допустимой концентрации в условиях отсутствия средств индивидуальной защиты. Интенсивность выброса (площадь пролива) определяет скорость поступления опасного вещества во внешнюю среду. Метеоусловия, прежде всего, скорость ветра, влияют на размеры зоны заражения.
Коэффициент пропускания завесы определяется способностью к турбулентному смешиванию примеси с потоком воздуха и абсорбирующему действию. Абсорбирующее действие завесы проявляется в снижении концентрации примеси за счет ее абсорбции рабочим веществом, как правило, водой. Интенсивность этого процесса оценивается поглоща-тельной способностью завесы. Поглощатель-ная способность соответствует доле поглощенной примеси. Принимая во внимание динамику процесса, это величина рассчитывается как отношение расхода примеси, перешедшей в жидкую фазу, к его исходному значению: Аш = дабс / Цо- Здесь до _ начальный расход примеси, кг/с; - расход примеси, абсорбированной водяной завесой, кг/с.
Поглощательная способность завес определяется на основании результатов лабораторных исследований, как описано в [11]. Хлоро-водород, обладая высокой растворимостью в воде, сопоставимой с растворимостью аммиака, в то же самое время обладает значительно большей молярной массой. Для определения поглощательной способности водяных завес может быть использовано выражение
АНС1 = ЯтПС1 /Яоя си (2)
где Кнс1 - поглощательная способность завесы; доиС1 - расход хлороводорода при свободном распространении примеси, кг/с; дтнсч - расход хлороводорода, перешедшего в жидкую фазу в условиях постановки водяных завес, кг/с.
Однако, подобных данных в литературных источниках нет. Поглощательная способность
водяной завесы по отношению к хлороводоро-ду может быть определена с использованием интерполяционных оценок на основе значений растворимости аммиака, хлора и хлороводорода в воде, с использованием значений поглощательной способности завес в отношении аммиака и хлора с помощью выражения
АнС1 = -м ат [Аат - Ach\ + Ach, (3)
Mch — мат
где М - растворимость вещества в воде, моль/л; Аат - поглощательная способность завесы по аммиаку; - поглощательная способность завесы по хлору.
В таблице 2 представлены результаты расчета поглощательной способности водяной завесы отношении хлороводорода при различных значениях скорости ветра.
Таблица 2 — Поглощательная способность водяной завесы
Скорость ветра
2 м/с 5 м/с 7 м/с
Поглощательная способность, Ahci 0,105 0,0853 0,0718
Поглощательная способность завесы в отношении аммиака и хлора изменяется в диапазоне: кат = 0 - 0,15; Ach = 0 - 0,01. При проведении расчетов величиной часто пренебрегают [12].
Интенсивность влияния водяной завесы на концентрацию примеси в ветровом потоке определяется ее коэффициентом эффективности. Применительно к выполняемым расчетам чаще употребляется коэффициент пропускания завесы, определяемый как
К = qi/до,
(4)
где; ^о _ расход примеси в отсутствие завесы, кг/с; - расход примеси, прошедшей сквозь объем завесы, кг/с.
Коэффициент пропускания завесы в отношении хлороводорода с учетом возможностей
абсорбции и рассеивания примеси определяется как
Кясч — Конс1 (1- А-ны). (5)
где Коны ~ коэффициент пропускания завесы в условиях отсутствия абсорбции.
Входящее в (5) выражение (1-А^на) определяет долю примеси, не абсорбируемой водяной завесой.
Величина Конс1 зависит от ряда факто-
ров, таких как природа примеси, параметры завесы и скорость ветра. Аналогично приему, описанному в [13], опираясь на результаты полигонных испытаний, Конс1 можно определить, пользуясь методом линейной интерполяции, основываясь на значениях коэффициента пропускания аммиака и хлора. С использованием значений плотности паров отдельных газов интерполяционное выражение будет иметь вид
РНС1 — Рат |
Л-0 НС1 — -—-1
РсЬ Рат 1
В таблице 3 представлены значения коэффициента пропускания завесы, определенные с применением выражения (6) для вышеуказанных условий, без учета абсорбционной активности завесы. Температура воздуха 20°С. Скорость ветра 2, 5, 7 м/с. В данном случае использованы характеристики рукавного распылителя РР(20х0,066x0,5x0,005) где: 20 - дли-
К,
ch
кп
-А,
h
1- Ап
-J + к(
0ат.
(6)
на распылителя; 0,066 - диаметр рукава; 0,5 -расстояние между соплами; 0,005 - диаметр сопел (м). Значения коэффициентов пропускания водяной завесы в отношении аммиака Кат и хлор а Kch в зависимости от скорости ветра и давления в рукавной линии приняты в соответствии с [1, 2].
Таблица 3 — Коэффициент пропускания завесы для хлороводорода как инертной примеси
Давление в рукавной линии, атм. К0на при скорости ветра
2 м/с 5 м/с 7 м/с
5 0,466 0,615 0,658
7 0,400 0,527 0,565
9 0,37 0,520 0,529
Использование полученных значений с применением выражения (5) и данных таблицы 2 дает возможность определения коэффи-
циента пропускания завесы с учетом ее абсорбционной активности. Результаты расчета представлены в таблице 4.
Таблица 4 — Коэффициент пропускания завесы для хлороводорода
Давление в рукавной линии,атм. Kuci при скорости ветра
2 м/с 5 м/с 7 м/с
5 0,417 0,563 0,611
7 0,358 0,482 0,524
9 0,331 0,476 0,491
a, b, с, - свободное распространение ОХВ; d - при постановке завесы
Рисунок 1 аммиаком; b, d - хлороводородом; с
Фактическая зона заражения:
хлором. S = 6 м2.
v = Ъ м/с
Здесь проиллюстрирован случай с проливом опасного химического вещества из цистерны на железнодорожном узле. Площадь про-2
тс распространения паров опасного вещества с поверхности пролива формируется фактическая зона заражения (рисунок 1, а). Сектор а фактическая зона заражения аммиаком (Lam = 155 м), сектор b - хлороводородом (Lhci = 233 м), сектор с - хлором (Lch = 370 м).
При постановке водяной завесы в один эшелон с прокладкой рукавного распылителя РР(20х0,066x0,5x0,005) на расстоянии 10 м от границы пролива в соответствии со схемой, описанной в [1, 2|, произойдет изменение границы фактической зоны заражения
(рисунок 1, б, сектор d).
Для расчета значения глубины фактической зоны заражения в условиях постановки водяной завесы Ьщс1 применено выражение, аналогичное использованному в [1, 2|,
l\hci = khcilhci.
(7)
Глубина фактической зоны заражения при скорости ветра 5 м/с составит: 131 м при давлении в рукавной линии 5 атм.; 112 м при давлении 7 атм.; 110 м при давлении 9 атм.
В таблице 5 также представлены расчетные значения глубины фактической зоны заражения при проливе хлороводорода при скорости ветра 2 и 7 м/с.
Таблица 5 Глубина фактической зоны заражения при постанове водяной завесы
Давление в рукавной линии, атм. Глубина фактической зоны заражения Ь\нси м ПРИ скорости
2 м/с 5 м/с 7 м/с
5 132 131 130
7 113 112 111
9 105 111 104
4. Заключение
Полуэмпиричеекая модель расчета параметров фактической зоны заражения при выбросе (проливе) аммиака и хлора, описанная в [3], базирующаяся на расчетах усредненного значения концентрации примеси с введением коэффициентов, определяющих поглощатель-ную и пропуекательную способности завес, может быть использована в отношении большого количества веществ. На примере хлороводорода видно, что в отсутствие экспериментальных
данных о характере распределения значений концентрации опасной примеси в пределах зоны заражения, предварительный расчет глубины фактической зоны заражения в условиях постановки водяных завес может быть осуществлен с применением интерполяционных оценок на основе значений растворимости в воде и плотности паров хлороводорода, аммиака и хлора, а также поглощательной способности и коэффициента пропускания завесы.
Литература
1. Инструкция по расчету сил и средств для постановки водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) аммиака : утв. М-вом по чрезвыч. ситуациям Респ. Беларусь 07.07.2008 г., № 89 // Нац. реестр правовых актов Респ. Беларусь. - 2008. № 8/19152.
2. Методика расчета сил и средств для постановки водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) хлора : утв. М-вом по чрезвыч. ситуациям Респ. Беларусь, 27.09.2011 г., № 210.
3. Котов Г.В., Фисенко С.П. Полуэмпирическая модель расчета параметров фактической зоны заражения при постановке водяных завес // Вестн. ун-та гражд. защиты МЧС Беларуси. - 2020. - Т. 4, № 4. - С. 424 - 432.
4. Быльев Ю.В. [и др.] Прогнозирование распространения облаков тяжелых газов при авариях на объектах химической промышленности // Проблемы современной науки и образования. - 2015. — № 12. С. 9« 101.
5. Абдула Ж. [и др.] Аналитическая модель переноса примеси атмосферного воздуха // Междунар. журн. прикл. и фунд. исслед. - 2016. - № 3 - 1. - С. 177 - 180.
6. Матвеев Ю.П. [и др.] Применение распределенных гетерогенных вычислительных систем для имитационного моделирования чрезвычайных ситуаций // Интернет-жур. «Науковедение». — 2017. — Т. 9, № 3. - 10 с. Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/109TVN317.pdf. - Дата доступа: 25.02.2022.
7. Троянов О.М., Рева Ю.В., Щербаков О.В. Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях техногенного характера // Вестн. СПб. ун-та ГПС МЧС России. - 2018. -Л'" 2. С. 9 13.
8. Ортина М.Н., Купцов А.П., Гимранов Ф.М. Математическое моделирование рассеивания облаков тяжелых газов в условиях промышленной застройки: влияние метеоусловий // Вестн. технол. ун-та. - 2017. - Т. 20, № 10. С. 115 118.
9. Кузнецов K.M., Галеев А.Д., Поникаров С.И. Влияние водяной завесы на последствия залпового выброса // Вестн. технол. ун-та. - 2015. - Т. 18, № 8. - С. 224 - 227.
10. Калимуллин II.II. [и др.] Анализ подходов для моделирования распространения тяжелого газа в условиях застройки // Вестн. технол. ун-та. - 2017. - Т. 20, № 10. - С. 111 - 114.
11. Котов Г.В., Ахремкова Г.С., Голуб О.В. Исследование процесса абсорбции хлора движущимися водяными каплями // Чрезвыч. ситуации: предупреждение и ликвидация. - 2011. — № 1. — С. 13 - 22.
12. Котов Г.В. Чрезвычайные ситуации с выбросом (проливом) опасных химических веществ: использование завес при ликвидации последствий : монография. - Минск : КИИ, 2015. - 232 с.
13. Котов Г.В. Концепция применения водяных завес при ликвидации чрезвычайных ситуаций с выбросом опасных химических веществ // Вестн. ун-та гражданской защиты МЧС Беларуси. -2021. - Т. 5, № 2. - С. 216 - 230.
PARAMETERS OF THE ACTUAL AREA OF CONTAMINATION UNDER THE CONDITIONS OF THE RELEASE (SPILL) OF HYDROGEN CHLORIDE
Gennady KOTOV
candidate of chemical sciences, associate professor, head of interdepartmental scientific and educational laboratory biotechnology and biochemistry Belarusian State Pedagogical University Address: 220030, Minsk, Sovetskaya St., 18 E-mail: kotovgvQmail.ru
Sergey YELISEYEU
candidate of chemical sciences,
associate professor, associate professor of the
department (chemistry)
Belarusian State Pedagogical University
Address: 220030, Minsk, Sovetskaya St., 18
E-mail: yeliseyeuQbspu.by
Alia KOZLOVA-KOZYREVSKAYA
candidate of chemical sciences, associate professor, head of the department (chemistry) Belarusian State Pedagogical University Address: 220030, Minsk, Sovetskaya St., 18 E-mail: kozyrevskayaQtut.by
Abstract. The article is devoted to the problem of calculating the actual zone of contamination in the event of a release of hazardous chemicals using an interpolation estimate based on the results of practical studies carried out in relation to ammonia and chlorine. The prospects for the application of a semi-empirical model for calculating the parameters of the actual zone of contamination, which is formed during the release (strait) of hydrogen chloride, are considered. A method is proposed for calculating the curtain efficiency coefficient in relation to an inert impurity and an impurity capable of absorption interaction with water. Using an interpolation estimate based on vapor density and water solubility, the depth of the actual zone of contamination, the absorption capacity and transmission coefficient of the water curtain in relation to hydrogen chloride were determined. On the basis of the data obtained, the depth of the actual infection zone was calculated under the conditions of setting up water curtains during rescue operations. An estimate of the change in the depth of the actual zone of infection as a result of a change in pressure in the bag sprayer is given. Keywords: hydrogen chloride, release (spill), actual zone of contamination.
Citation: Kotov G.V., Yeliseyeu S.Y., Kozlova-Kozyrevskaya A.L. Parameters of the actual area of contamination under the conditions of the release (spill) of hydrogen chloride // Scientific and educational problems of civil protection. 2022. № 2 (53). S. 38 - 44.
References
1. Instructions for the calculation of forces and means for setting up water curtains in the aftermath of emergencies associated with the release (strait) of ammonia: approved. M-vom for emergency situations Rep. Belarus 07.07.2008, No. 89 // Nat. register of legal acts Rep. Belarus. - 2008. No. 8/19152.
2. Methodology for calculating forces and means for setting up water curtains in the aftermath of emergency-situations associated with the release (spill) of chlorine: approved. M-vom for emergency situations Rep. Belarus, September 27, 2011, No. 210.
3. Kotov G.V., Fisenko S.P. Semi-empirical model for calculating the parameters of the actual zone of infection when setting up water curtains // Vestn. un-that civil, protection of the Ministry of Emergency-Situations of Belarus. - 2020. - V. 4, No. 4. - S. 424 - 432.
4. Byliev Yu.V. fet al.] Predicting the spread of heavy gas clouds during accidents at chemical industry-facilities // Problems of modern science and education. - 2015. - No. 12. - S. 96 - 101.
5. Abdula Zh. fet al.] Analytical model of atmospheric air impurity- transfer // Intern, magazine appl. and fund, research - 2016. - No. 3 - 1. - S. 177 - 180.
6. Matveev Yu.N. fet al.] Application of distributed heterogeneous computing systems for simulation of emergency- situations // Internet journal. "Science". - 2017. - V. 9, No. 3. - 10 s. Access mode: http://naukovedenie.ru/PDF/109TVN317.pdf. - Date of access: 02/25/2022.
7. Troyanov O.M., Reva Yu.V., Shcherbakov O.V. Actual problems of ensuring safety in emergency- situations of a man-caused nature. SPb. un-ta GPS EMERCOM of Russia. - 2018. - No. 2. - S. 9 - 13.
8. Ortina M.N., Kuptsov A.I., Gimranov F.M. Mathematical modeling of the dispersion of clouds of heavy-gases in the conditions of industrial development: the influence of meteorological conditions // Vestn. technol. university- - 2017. - T. 20, No. 10. - S. 115 - 118.
9. Kuznetsov K.M., Galeev A.D., Ponikarov S.I. Influence of a water curtain on the consequences of a volley-ejection // Vestn. technol. university- - 2015. - T. 18, No. 8. - S. 224 - 227.
10. Kalimullin N.I. fet al.] Analysis of approaches for modeling the propagation of heavy gas in building conditions // Vestn. technol. university- - 2017. - T. 20, No. 10. - S. Ill - 114.
11. Kotov G.V., Akhremkova G.S., Golub O.V. Investigation of the process of chlorine absorption by moving water drops // Chezvych. situations: prevention and elimination. - 2011. - No. 1. - S. 13 - 22.
12. Kotov G.V. Emergencies with the release (spill) of hazardous chemicals: the use of curtains in the aftermath: a monograph. - Minsk: KII, 2015. - 232 s.
13. Kotov G.V. The concept of the use of water curtains in the elimination of emergency- situations with the release of hazardous chemicals // Vestn. un-ta civil protection of the Ministry- of Emergency- Situations of Belarus. - 2021. - V. 5, No. 2. - S. 216 - 230.
