Защита атмосферы при аварии с химически опасным грузом Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 519.6

В. М. ЛИСНЯК (ДИИТ)

ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ПРИ АВАРИИ С ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫМ ГРУЗОМ

На 6a3i розроблено! тривимiрноl чисельно! моделi виконано розрахунок процесу нейтралiзацil токсично! речовини в атмосфера Модель базусться на чисельному iнтегруваннi рiвняння конвективно-дифузiйного переносу домшки. Наводяться результати обчислювального експерименту щодо прогнозу рiвня забруднен-ня атмосфери.

На основе разработанной трехмерной численной модели рассчитан процесс нейтрализации токсичных веществ в атмосфере. Модель основывается на численном интегрировании уравнения конвективно-диффузионного переноса примеси. Приводятся результаты вычислительного эксперимента по прогнозу уровня загрязнения атмосферы.

The 3D CFD model to simulate the pollutant transfer and the process of neutralization of toxic gas after accidents was developed. The model is based on the transport gradient model. The results of numerical experiments are presented.

Введение

Аварии при транспортировке химически опасных грузов могут привести к значительной эмиссии опасных веществ, что приводит к масштабному загрязнению окружающей среды и создает угрозу поражения людей. При ликвидации последствий аварий с химически опасными грузами применяются различные мероприятия, в число которых входит подача нейтрализатора для локализации зоны загрязнения атмосферы [1, 5]. Очевидно, что подача нейтрализатора в зону загрязнения атмосферы может осуществляться с различных позиций, с различной интенсивностью и т.д., поэтому одним из важнейших вопросов при разработке плана организации защитных мероприятий является прогноз возможных масштабов загрязнения и количественная оценка эффективности различных средств защиты, которые могут применяться для локализации зон загрязнения, позволяющая выбрать наиболее рациональные параметры защитных установок и их размещение.

Целью работы явилось применение разработанной автором трехмерной численной модели (CFD model) для расчета процесса загрязнения атмосферы при аварийном разливе синильной кислоты и расчета процесса нейтрализации токсичного газа в атмосфере за счет подачи нейтрализующего средства. Особенностью разработанной модели является то, что она позволяет осуществлять трехмерное моделирование процессов рассеивания токсичного газа и его нейтрализации с учетом неравномерного про-

филя ветра, режима подачи нейтрализатора. Модель позволяет получить прогнозные результаты в течение нескольких секунд на ПК средней и малой мощности, что делает ее привлекательной для использования в повседневных расчетах.

Математическая модель

Рассматривается процесс загрязнения атмосферы при поступлении в нее ИСК. Источником эмиссии является зона аварийного разлива, над которой формируется шлейф токсичного газа. Для расчета процесса загрязнения атмосферы при распространении токсичного газа, попавшего в воздушную среду вследствие аварии, используем трехмерное уравнение переноса примеси (модель градиентного типа) [2, 3]. Это же уравнение используется для моделирования рассеивания нейтрализатора (КаОИ) в атмосфере, подаваемого для локализации зоны загрязнения:

dC ~dt

duC dvC д(w - ws)C

dx д (

dy

dC

dxdx

d_(

dy

dz

dC ^ dy

» y —

+i("z f 3 ('>5<r - r)

(1)

где С - концентрация примеси (нейтрализатор, токсичный газ); и,V, ^ - компоненты вектора скорости воздушной среды; ws - скорость осе-

© Лисняк В. М., 2009

дания примеси (нейтрализатор); | = (|1х, |у, |) - коэффициенты атмосферной диффузии; Q -интенсивность выброса токсичного газа (нейтрализатора); 5(г - г ) - дельта-функция Дирака; г =(хг ^), уг ^), (^)) - координаты источника эмиссии токсичного газа (нейтрализатора).

Место эмиссии токсичного газа и место подачи нейтрализатора моделируется с помощью дельта-функции Дирака. Интенсивность эмиссии токсичного вещества определяется опытным или расчетным путем [4]. Процесс взаимодействия токсичного газа и нейтрализатора рассчитывается на основе уравнения реакции

НСК + КаОН ^ КаСК + Н2О.

В разработанной численной модели используется неравномерный профиль скорости ветра и вертикального коэффициента диффузии:

u = u

f z >

V zi J

; ц z = k1

f z >

V zi J

выброса НСК от зоны разлива составляет

1.2 кг/с; скорость ветра (на высоте 10 м) -

6.3 м/с; коэффициент диффузии цх = 3 м2/с; скорость оседания капель нейтрализатора -0,01 м/с; размеры расчетной области 120х120х х24 м. Интенсивность подачи нейтрализатора -1,3 кг /с (второй вариант - 2,6 кг/с). Координаты источника эмиссии КаОН: х = 55 м; у = = 6,5 м; 2 = 1 м. Высота подачи нейтрализатора 2 варьировалась: в первом сценарии она составляла 5 м, а во втором - 9 м над поверхностью земли.

При расчете полагалось, что подача нейтрализатора начинается в момент времени t = 36 с. Моменту времени t = 0 соответствует начало эмиссии токсичного газа.

где u1 - скорость ветра на высоте z1; k1 = 0,2; n = 0,16; m «1. Коэффициент цy принимается

равным Ц y = Ц х [3].

Постановка краевых условий для рассмотренного уравнения переноса примеси рассмотрена в работах [2, 3].

Метод решения

Численное интегрирование уравнения (1) проводится с использованием попеременно-треугольной разностной схемы расщепления [2] на прямоугольной разностной сетке. Разработанный код реализован на алгоритмическом языке FORTRAN.

Практическая реализация

На основе разработанного кода была решена следующая задача. Произошла авария, в результате которой образовалась зона разлива синильной кислоты, и в воздушную среду начал поступать токсичный газ - HCN - от зоны разлива. Для локализации зоны загрязнения атмосферы используется подача раствора щелочи NaOH. Исследуется эффективность процесса локализации зоны загрязнения атмосферы при различной высоте подачи нейтрализатора в эту зону и с различной интенсивностью.

Вычислительный эксперимент проводился при следующих параметрах: интенсивность

Рис. 1. Зона загрязнения атмосферы для момента времени t = 36 с (сечение у = 55 м). Нет подачи нейтратзатора

Рис. 2. Зона загрязнения атмосферы для момента времени t = 56 с (сечение у = 55 м), подача нейтрализатора Q = 1,3 кг/с, высота подачи 2 = 9 м

Рассмотрим результаты расчета. В табл. 1 - 3 представлены данные по расчету количества нейтрализованного токсичного газа в зависимости от различной интенсивности подачи нейтрализатора и высоты подачи 2 над поверхностью земли. На основе этих данных можно количественно оценить эффективность метода нейтрализации.

Рис. 3. Зона загрязнения атмосферы для момента времени t = 56 с (сечение у = 55 м), подача нейтрализатора Q = 2,6 кг/с, высота подачи г = 9 м

Рис. 4. Зона загрязнения атмосферы для момента времени t = 56 с (сечение у = 55 м), подача нейтрализатора Q = 1,3 кг/с, высота подачи г = 5 м

Таблица 1

Количество нейтрализованного токсичного газа, высота подачи нейтрализатора 5 м (подача нейтрализатора Q =1 ,3 кг/с)

^ с 40 50 56

Масса, г Количеств выс (пода 3308 нейтрализо ота подачи н ча нейтрали 11832 ванного токс йтрализатор затора Q = 1г 17001 Таблица 2 ичного газа, а 9 м кг/с)

t, с 40 50 56

Масса, г 3021 11388 16606

Таблица 3

Количество нейтрализованного токсичного газа, высота подачи нейтрализатора 9 м (подача нейтрализатора Q = 2,6 кг/с)

сунков. На рис. 1 показана зона загрязнения атмосферы перед началом процесса нейтрализации ( = 36 с). Хорошо видно, что возле зоны разлива сформировалась обширная область загрязнения. Видно, как шлейф токсичного газа сносится ветром. На рис. 2 - 4 представлена зона загрязнения атмосферы, но уже для различных вариантов подачи нейтрализатора. Хорошо видно, что при высоте подачи нейтрализатора г = 9 м над уровнем земли и при расходе нейтрализатора 1,3 кг/с размеры зоны загрязнения атмосферы уменьшились незначительно по сравнению с ситуацией, когда нет подачи нейтрализатора (сравним рис. 2 и 1) и, в основном, это уменьшение наблюдается, начиная с высоты г > 6 м, где образовалась «чистая» подзона в виде «полочки». Т.е., это зона влияния источника подачи нейтрализатора. Достаточно обширная подзона загрязнения остается непосредственно над поверхностью земли (рис. 2). При уменьшении высоты подачи нейтрализатора, а также при увеличении интенсивности его подачи происходит значительное уменьшение размеров зоны загрязнения атмосферы и четкая ее локализация (рис. 3, 4). При этом исчезает зона загрязнения непосредственно над поверхностью земли.

Поскольку при авариях с химически опасными веществами поражающим фактором является концентрация загрязнителя, то практически важным вопросом является расчет ее величины в тех или иных зонах, например с целью выбора безопасного расположения людей, техники и т.п. В табл. 4 - 7 показано прогнозное значение концентрации токсичного газа на различном расстоянии от места эмиссии при отсутствии подачи нейтрализатора и при его подаче (сечение у = 55 м). Эти данные позволяют также оценить эффективность процесса нейтрализации по локализации зоны загрязнения.

Таблица 4

Концентрация токсичного газа на различном расстоянии от зоны разлива, уровень z= 3м (нет подачи нейтрализатора)

х, м 30 40 50

Концентрация, 1,12 0,907 0,753

г/м3

t, с 40 50 56

Масса, г 4978 18651 26384

Оценить эффективность метода нейтрализации по локализации зоны загрязнения в атмосфере можно на основе анализа представленных ри-

С практической точки зрения представляет интерес прогноз динамики изменения концентрации токсичного газа на различном расстоянии от зоны разлива при подаче нейтрализатора. Такая информация позволяет определить время, когда будут образованы безопасные зо-

ны и их размеры. В табл. 8 представлены данные по расчету этой динамики для сценария: г = 9 м - высота подачи нейтрализатора, интенсивность подачи - 2.6 кг/с.

Таблица 5

Концентрация токсичного газа на различном расстоянии от зоны разлива, уровень z = 3м (высота подачи нейтрализатора 5 м, подача нейтрализатора Q = 1,3 кг/с)

X, м 30 40 50

Концентрация, 0,0 0,003 0,025

г/м3

Таблица 6

Концентрация токсичного газа на различном расстоянии от зоны разлива, уровень z = 3м (высота подачи нейтрализатора 9 м, подача нейтрализатора Q = 1,3 кг/с)

х, м 30 40 50

Концентрация, 0,795 0,502 0,345

г/м3

Таблица 7

Концентрация токсичного газа на различном расстоянии от зоны разлива, уровень z = 3м (высота подачи нейтрализатора 9 м, подача нейтрализатора Q = 2.6 кг/с)

х, м 30 40 50

Концентрация, 0,468 0,096 0,0

г/м3

Таблица 8

Изменение с течением времени концентрации (г/м3) токсичного газа на различном расстоянии от зоны разлива, уровень z= 3 м, сечение у =55 м (подача нейтрализатора Q = 2.6 кг/с, z = 9 м)

г 38 с 40 с 50 с 56 с

20 м 1,39 1,36 1,33 1,33

30 м 0,80 0,59 0,47 0,46

40 м 0,69 0,38 0,10 0,09

50 м 0,65 0,37 0,0 0,0

Принимая во внимание, что значение концентрации 1 г/м3 является смертельно опасной величиной при загрязнении воздуха ИСК, мы

видим, что зона смертельного поражения находится примерно на расстоянии 25 м от источника эмиссии при подаче нейтрализатора.

В заключение отметим, что расчет с использованием построенной численной модели требует около 5.. .10 с для получения результатов с помощью разработанного кода.

Выводы

В работе на основе разработанной трехмерной численной модели и созданного на ее основе кода выполнен расчет процесса нейтрализации токсичного газа в атмосфере. Методом вычисленного эксперимента исследована эффективность процесса нейтрализации и локализации зоны загрязнения в атмосфере при различной интенсивности подачи нейтрализатора и места его подачи. Дальнейшее развитие данной модели должно быть направлено на создание численной модели для расчета рассеивания тяжелых газов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий [Текст] : учеб. пособие в 5-ти кн. / под ред. В. А. Котляревского и

A. В. Забегаева). - М.: Изд-во АСВ, 2001. -200 с.

2. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде [Текст] / М. З. Згуровский и др. - К.: Наук. думка, 1997. -368 с.

3. Марчук, Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды [Текст] / Г. И. Марчук. - М.: Наука, 1982. - 320 с.

4. Мацак, В. Г. Гигиеническое значение скорости испарения и давления пара токсических веществ, применяемых в производстве [Текст] /

B. Г. Мацак, Л. К. Хоцянов. - М.: Медгиз, 1959. - 231 с.

5. Методика прогнозування насладив виливу (ви-киду) небезпечних х1м1чних речовин при аварь ях на промислових об'ектах 1 транспорт! [Текст]. - К., 2001. - 33 с.

6. Самарский, А. А. Теория разностных схем [Текст] / А. А. САмарский. - М.: Наука, 1983. -616 с.

Поступила в редколлегию 17.09.2009. Принята к печати 23.09.2009.