THE NEUTRALIZATION OF TOXIC GAS CLOUDS IN THE ATMOSPHERE

(1)

УДК 519.6

Н

.

Н

.

БЕЛЯЕВ

,

В

.

М

.

ЛИСНЯК

(

ДИИТ

)

НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ОБЛАКА ТОКСИЧНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ

Набазірозробленоїтривимірноїчисельноїмоделівиконанорозрахунокпроцесунейтралізаціїтоксичної речовиниватмосфері. Модельбазуєтьсяначисельномуінтегруванні 3D рівнянняконвективно-дифузійного переносудомішки. Наводятьсярезультатиобчислювальногоекспериментущодопрогнозурівнязабруднен

-няатмосфери.

Наоснове разработаннойтрехмерной численной моделирассчитан процесснейтрализации токсичного газа в атмосфере. Модель основывается на численном интегрировании уравнения конвективно-диффу

-зионного переноса примеси. Приводятся результаты вычислительного эксперимента по прогнозу уровня загрязненияатмосферы.

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

Введение

Авариипритранспортировке, погрузке, раз

-грузке химически опасных грузов могут при

-вести к значительной эмиссии токсичных ве

-ществ, чтоявляется причиной масштабного за

-грязнения окружающей среды (очень часто ат

-мосферы) и создает угрозу поражения людей.

Приликвидациипоследствийаварий схимиче

-ски опасными веществами применяются раз

-личные защитные мероприятия, в число кото

-рых входит подача нейтрализатора для умень

-шениязоны загрязнения атмосферы [1, 5]. При

применении метода нейтрализации возникает

закономерный вопрос – чем гарантируется

обеспечение требуемого уровня экологической

безопасности? Количеством поданногонейтра

-лизатора? Очевидно, нет. Количеством нейтра

-лизованного токсичного газа? Очевидно, да.

Понятно, что подача нейтрализатора в облако

токсичного газа может осуществляться с раз

-личных позиций, с различной интенсивностью,

приразличныхметеоусловиях ит.д., ивсе это,

естественно, будет влиять на количество ней

-трализованного токсичного газа, а значит на

эффективность защитного мероприятия и на

уровень экологической безопасности. Поэтому

одним из важнейших вопросов при разработке

плана организации защитных мероприятий яв

-ляется не только прогноз возможных масшта

-бовзагрязнения (прогнозмасштаба угрозы), но

иколичественная оценка эффективности пла

-нируемых средств защиты. Иными словами,

принятие решения по организации защитных мероприятий должно основываться на расче

-те. Только на основе такого подхода можно

научно обоснованно определить параметры за

-щитных установок, рациональное их размеще

-ние, режим работы для минимизации экологи

-ческого ущерба и обеспечения требуемого

уровнябезопасности.

Использование аналитических моделей для

решениязадачиоценки эффективностинейтра

-лизации токсичного газа в атмосфере не пред

-ставляется возможным в силу сложности зада

-чи – неравномерный профильветра, необходи

-мость учета формы облака (для выполнения

критерия геометрического подобия в модели),

изменение в атмосфере концентрации токсич

-ного газа, нейтрализатора с течением времени

при их химическом взаимодействии. Поэтому

единственным методом расчета является чис

-ленноемоделирование. Цельюданной работы

явилось применение построенной трехмерной

численной модели (CFD model) для расчета

процесса загрязнения атмосферы при аварий

-ном выбросе фтористого водорода и расчета

процесса нейтрализации облака токсичного га

-за в атмосфере за счет подачи реагента. По

-строеннаямодельдает возможностьвыполнить

прямое численное моделирование процессов

рассеивания токсичного газа и его нейтрализа

-ции с учетом неравномерного профиля ветра,

неравномерных значений коэффициентов диф

-фузии, геометрической формы облака, режима

подачи нейтрализатора. Модель позволяет по

-лучить прогнозные результаты в течение не

-скольких секунд на ПК средней и малой мощ

(2)

Математическаямодель

Рассматривается процесс загрязнения атмо

-сферыприпоступлениивнеетоксичногогаза –

HF. Моделируется ситуация, когда над местом

аварии образовалось облако газа сложной гео

-метрическойформы. Сцельюзащитыатмосфе

-ры от загрязнения и минимизации экологиче

-ского ущерба применяется подача нейтрализа

-тора в мигрирующее облако. Такая подача мо

-жет осуществляться как с помощью наземных

средств (стационарные лафетные установки,

пожарные машины), так и воздушных (верто

-лет, самолет).

Для расчета процесса загрязнения атмосфе

-ры при распространении токсичного газа, по

-павшеговвоздушнуюсредувследствиеаварии,

используем трехмерное уравнение переноса

примеси (модель градиентного типа) [2, 3].

Данное уравнение переноса используется для

моделирования рассеивания нейтрализатора

(NaOH) в атмосфере, подаваемого для сниже

-нияуровнязагазованностиатмосферы:

(

s

)

x

w w C

C uC vC C

t x y z x x

∂ −

∂ ₊∂ ₊∂ ₊ ₌ ∂ ⎛_µ ∂ ⎞₊

⎜ ⎟

∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ∂ ⎠

( ) (

)

y z i i

C C

Q t r r

y y z z

⎛ ⎞

∂ ∂ ∂ ⎛ ∂ ⎞

+ _⎜µ _⎟+ _⎜µ _⎟+ δ −

∂ ⎝ ∂ ⎠ ∂ ⎝ ∂ ⎠

∑

, (1)

где C – концентрация примеси (нейтрализатор,

токсичный газ); u v w, , – компоненты вектора

скоростивоздушнойсреды; w_S – скоростьосе

-данияпримеси (нейтрализатор); µ = µ µ µ

(

_x, _y, _z

)

– коэффициенты атмосферной диффузии; Q –

интенсивность выброса нейтрализатора;

(

( ), ( ), ( )

)

i i i i

r = x t y t z t – координаты источника эмиссии нейтрализатора; δ −

(

r r_i

)

– дельта

-функцияДирака.

Местоподачинейтрализаторамоделируетсяс

помощью дельта-функции Дирака. Процесс

взаимодействия токсичного газа инейтрализато

-рарассчитываетсянаосновеуравненияреакции

HF + NaOH → NaF + H2O.

Вразработаннойчисленноймоделиисполь

-зуется неравномерный профильскорости ветра

ивертикальногокоэффициентадиффузии:

1 1

n

z u u

z ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠ , 1 1

m

z

z k

z ⎛ ⎞ µ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ,

где u₁ – скорость ветрана высоте z₁; k₁=0,2;

0,15

n= ; m≈1. Принимается, чтокоэффициен

-ты µ_y и µ_x одинаковы.

Постановка краевых условий для рассмот

-ренного уравнения переноса примеси рассмот

-ренавработах [2, 3].

Методрешения

Численное интегрирование уравнения (1)

проводится с использованием попеременно

-треугольнойразностнойсхемырасщепления [2]

на прямоугольной разностной сетке. Разрабо

-танный код реализован на алгоритмическом

языке FORTRAN. Форма облака токсичного

газа формируется в численной модели с помо

-щьюмаркеров [2].

Практическаяреализация

Наосноверазработанногокодабыларешена

задача по оценке эффективности метода ней

-трализациидлязащитыатмосферыотзагрязне

-ния примиграцииоблакатоксичного газа. Рас

-сматривался следующий сценарий. Произошла

авария, в результате которой на месте аварии

образовалось облако сложной (грибовидной)

формы (рис. 1). Для защиты атмосферы от за

-грязнения используется подача щелочи NaOH.

Исследуется эффективность процесса нейтра

-лизации при различной интенсивности и месте

подачинейтрализатора.

Вычислительный эксперимент проводился

при следующих параметрах: размеры облака:

высота – 20,4 м; максимальная ширина шляп-

ки – 60 м; ширина ножки – 30 м; масса НF в

облакесоставляетпорядка 5,9 т; скоростьветра (навысоте 10 м) – 4,7 м/с; коэффициентдиффу -зии µх = 2,7 м2/с; скоростьоседаниякапельней

-трализатора – 0,01 м/с; размеры расчетной об -ласти 180 х 180 х 40,8 м. Интенсивностьподачи нейтрализатора варьируется – 50 кг/с (второй вариант – 90 кг/с, третий вариант – 350 кг/с).

Координаты источника эмиссии NaOH: x =

= 67,5 м; y = 82,5 м; z = 22,1 м (другой вари-

ант – z = 8,5 м). При расчете полагалось, что

подача нейтрализатора начинается в момент

времениt = 0 с.

Оценку эффективности процесса нейтрали

-зации проведем по двум параметрам: по коли

-чествунейтрализованноготоксичногогазаипо

величине токсодозы. Рассмотрим результаты

расчета. Втабл. 1 – 5 представлены данныепо

расчету количества нейтрализованного токсич

-ного газа в зависимости от различной интен

-сивности подачи нейтрализатора. На основе

(3)

эффективность метода нейтрализации. В

табл. 1 представлены данные, как о массеней

-трализованногогаза, такипроцентнейтрализо

-ванногогазаотего начальной массы. Вдругих

таблицах приводится процент нейтрализован

-ногогазадляоперативнойоценки эффективно

-стипроцессанейтрализации.

Рис. 1. Формаоблакатоксичногогаза

наместеаварии (сечениеy = 82,5 м)

Рис. 2. Зоназагрязненияатмосферыдлямомента

времениt = 12 с (сечениеy = 82,5 м);

нетподачинейтрализатора

Таблица 1

Количествонейтрализованноготоксичногогаза,

высотаподачинейтрализатора 22,1 м

(подачанейтрализатораQ = 50 кг/с)

t, с 7 20 27

нейтрализовано 174,8 _{2,92 %}кг 407,1 _{6,80 %}кг 501,8 _{8,38 %}кг

Таблица 2

высотаподачинейтрализатора 22,1 м

(подачанейтрализатораQ = 90 кг/с)

t, с 7 20 27

нейтрализовано 4,99 % 11,19 % 13,73 %

Таблица 3

высотаподачинейтрализатора 22,1 м (подача

нейтрализаторанаодномуровнеQ = 350 кг/с)

t, с 7 20 27

нейтрализовано 14,78 % 31,63 % 37,42 %

Таблица 4

высотаподачинейтрализатора 8,5 м (подача

нейтрализаторанаодномуровнеQ = 350 кг/с )

t, с 7 20 27

нейтрализовано 17,20 % 33,89 % 39,75 %

Таблица 5

подачанейтрализаторанадвухуровнях 22,1ми

8,5 м ( суммарнаяподачанейтрализатора

Q = 350 кг/с)

t, с 7 20 27

нейтрализовано 18,20 % 34,62 % 40,23 %

Отметим, что к моменту времени t = 27 с

может быть нейтрализованопорядка 37…40 %

токсичного газа при интенсивности подачи

нейтрализатора в количестве 350 кг/с, т.е. за

достаточно короткий промежуток времени бу

-детнейтрализованазначительная частьтоксич

-ного вещества и, что важно, на относительно

коротком участке местности. Даже если нет

возможностинейтрализоватьоставшуюсячасть

токсичного газа, то понятно, чтопослеоргани

-зованного природоохранного мероприятия в

атмосфере теперь переносится практически

вдвоеменьшетоксичноговещества.

Теперь выполним оценку эффективности

использования нейтрализатора. Для анализа

рассмотрим ситуацию, когда интенсивность

подачинейтрализатораравнаQ = 50 кг/с, пода

-ча осуществляется на уровне 22,1 м. В табл. 6

представленыданныео количественейтрализа

-тора, не вступившего в реакцию с токсичным

газомнаопределенныймоментвремени.

Таблица 6

Количество «неиспользованного» нейтрализато

-ра, подачанейтрализаторанауровне 22,1 м

(интенсивностьподачанейтрализатора

Q = 50 кг/с)

t, с 7 20 27

Неиспользовано

нейтрализатора, кг 0,27 185,7 346,3

Из табл. 6 отчетливо видно, что количество

«неиспользованного» нейтрализаторавсевремя

возрастает с течением времени. Это объясняет

-сясносомоблакатоксичногогазаотносительно

источника подачи реагента и, следовательно,

«уходом» токсичного газа из зонывлияния ис

(4)

Оценить эффективностьметода нейтрализа

-ции для уменьшения зоны загрязнения атмо

-сферы можно на основе анализа представлен

-ных ниже рисунков, где показано распределе

-ние изолиний концентрации HF (сечение y =

= 82,5 м)длямоментавремениt = 12 с.

Рис. 3. Зоназагрязненияатмосферыдлямомента времениt = 12 с (сечениеy = 82,5 м); подачаней

-трализатораQ = 50 кг/с, высотаподачиz = 22,1 м

времениt = 12 с (сечениеy = 82,5 м); подачанейтра

-лизатораQ = 90 кг/с, высотаподачиz = 22,1 м

времениt = 12 с (сечениеy = 82,5 м); подачанейтра

-лизатораотдвухисточников, каждыйинтенсивнос

-тьюQ = 175 кг/сирасположенных

наразныхуровнях: z = 22,1 миz = 8,5 м

Хорошо видно влияние изменения интен

-сивности и места подачи нейтрализатора на

размеры «нейтрализованной» зоны (для такой

оценки следует сравнить рис. 2 и рис. 3 – 7).

Отчетливовидно, чтоподачанейтрализаторана

двух уровнях (рис. 5) существенно уменьшила

размеры зоны загрязнения атмосферы по срав

-нениюсподачейреагентанаодномуровне.

Поскольку при авариях с химически опас

-ными веществами поражающим фактором яв

-ляется концентрация загрязнителя, то при раз

-работке ПЛАСа особо важным вопросом явля

-ется расчет токсодозы в тех или иных зонах.

Расчет токсодозы крайне важен с позиции

оценкиэффективностизащитныхмероприятий,

рекомендуемыхвПЛАСе, и, впервуюочередь,

сцелью выборабезопасногорасположениялю

-дей, техникиит.п. Вданной работедляоценки

уровня экологической безопасности на месте

расположения рецептора рассчитывалось зна

-чениетоксодозыпоследующейзависимости:

( )

0

T

TD=

_∫

C t dt,

где t – время, С – концентрация токсичного

газа.

Рис. 6. Зоназагрязненияатмосферыдлямомента времениt = 12 с (сечениеy = 82,5 м); подачанейтра

Рис. 7. Зоназагрязненияатмосферыдлямомента времениt = 12 с (сечениеy = 82,5 м); подачанейтра

В последующих таблицах показано про

-гнозноезначениевеличинытоксодозынаместе

расположения рецептора: x = 157,5 м; y =

= 82,5 м; инавысоте z=1,7 м (зонадыхания).

Эти данные позволяют также оценить эффек

-тивностьпроцессанейтрализации.

Принимаявовнимание, чтозначение токсо

-дозы 7,5 мг·мин/лявляетсясмертельноопасной

величиной при загрязнении воздуха HF [1],

видно, что подача нейтрализаторапри выбран

-ныхпараметрах работыустановкинеобеспечи

-вает безопасность на месте расположения ре

(5)

-ра на уровне 8,5z= м, с интенсивностью

350 кг/с. Для объяснения этого факта необхо

-димо еще раз проанализировать представлен

-ные выше рисунки, откуда видно, чтодля рас

-сматриваемых случаев подачи нейтрализатора

на высоте 22,1 м нейтрализации подвергается

верхняячастьоблака, а зона загрязнения атмо

-сферы возле земли не подвергается нейтрали

-зации. Длявариантаподачиреагента навысоте

8,5

z= м, наоборот, верхняя часть облака не

подвергласьнейтрализации.

Таблица 7

Изменениевеличинытоксодозыстечениемвреме

-ни, уровеньz = 1,7 м (нетподачинейтрализатора)

t, с 15 18 25 27

токсодоза,

мг·мин/л 5,39 7,79 12,34 13,26

Таблица 8

Изменениевеличинытоксодозы

стечениемвремени, уровеньz = 1,7 м (подачанейтрализатора 50 кг/с)

t ,с 15 18 25 27

токсодоза,

мг·мин/л

5,37 7,73 12,14 12,92

Таблица 9

стечениемвремени, уровеньz = 1,7 м (подачанейтрализатора 90 кг/c)

t ,с 15 18 25 27

токсодоза,

мг·мин/л 5,35 7,68 11,97 12,78

Таблица 10

стечениемвремени, уровеньz = 1,7 м (подачанейтрализатора 350 кг/ с

науровнеz = 22,1 м)

t, с 15 18 25 27

токсодоза,

мг·мин/л 5,21 7,37 10,89 11,39

Таблица 11

стечениемвремени, уровеньz = 1,7 м

(подачанейтрализаторанадвухуровнях,

величинасуммарнойподачи 350 кг/с)

t, с 15 18 25 27

токсодоза,

мг·мин/л

4,63 6,34 8,45 8,54

Таблица 12

стечениемвремени, уровеньz = 1,7 м (подача нейтрализатора 350 кг/снауровнеz = 8,5 м)

t, с 15 18 25 27

токсодоза,

мг·мин/л

4,05 5,31 6,26 6,27

Взаключениеотметим, чторасчетсисполь

-зованием построенной численной модели тре

-бует около 5…10 с для получения прогнозных

результатовспомощьюразработанногокода.

Выводы

В работена основеразработанной трехмер

-нойчисленноймоделиисозданногонаееосно

-ве кода выполнен расчетпроцесса нейтрализа

-ции облака токсичного, мигрирующего газа в

атмосфере. Методом вычислительного экспе

-римента исследована эффективность процесса

нейтрализации при различной интенсивности

подачи нейтрализатора и месте его подачи.

Дальнейшее развитие данной модели должно

быть направлено на создание численной моде

-ли для расчета рассеивания и нейтрализации

тяжелыхгазов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и лик

-видация последствий [Текст] : учеб. пособие в

5-ти книгах / под ред. В. А. Котляревского и

А. В. Забегаева. – М.: АСВ, 2001. – 200 с. 2. Численное моделирование распространения

загрязнения в окружающей среде [Текст] /

М. З. Згуровскийидр. – К.: Наук. думка, 1997. – 368 с.

3. Марчук, Г. И. Математическоемоделированиев проблеме окружающей среды [Текст] /

Г. И. Марчук. – М.: Наука, 1982. – 320 с. 4. Мацак, В. Г. Гигиеническое значение скорости

испарения и давления пара токсических ве

-ществ, применяемых в производстве [Текст] /

В. Г. Мацак, Л. К. Хоцянов. – М.: Медгиз, 1959. – 231 с.

5. Методика прогнозування наслідків виливу (ви

-киду) небезпечниххімічнихречовин приаварі

-ях на промислових об’єктах i транспорті

[Текст]. – К., 2001. – 33 с.

6. Самарский, А. А. Теория разностных схем

[Текст] / А. А. Самарский. – М.: Наука, 1983. – 616 с.

Поступилавредколлегию 01.09.2009.