Численное моделирование последствий аварийного выброса сжиженного хлора при наличии препятствия

Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА СЖИЖЕННОГО ХЛОРА ПРИ НАЛИЧИИ ПРЕПЯТСТВИЯ

Ключевые слова: Сжиженный газ, численное моделирование, зоны токсического поражения.

Представлена математическая модель для определения зон токсического поражения при залповом выбросе сжиженного хлора в атмосферу. Выполнен численный анализ влияния скорости ветра и наличия препятствия на размеры зон, ограниченных летальной и пороговой токсодозой, при аварийном выбросе сжиженного хлора.

Keywords: liquefied gas, numerical simulation, toxic impact zones.

A mathematical model is presented for determination of the zones of toxic impact in case of instantaneous release of liquefied chlorine to the atmosphere. A numerical analysis was carried out of the wind speed and obstacles influence on the characteristics of the toxic impact zones limited lethal and threshold toxic doses, in case of instantaneous release of liquefied chlorine.

Введение

Наиболее сложной задачей при оценке степени риска промышленных объектов является определение зон распространения опасных веществ при их аварийных выбросах. Для ее решения требуется привлечение моделей для описания двух взаимосвязанных процессов - поступления опасного вещества в облако в результате кипения (испарения) и распространения примеси в атмосфере. К тому же существенное влияние на картину распределения токсичных или взрывоопасных газов могут оказывать сложный рельеф местности и наличие препятствий в виде промышленных зданий, сооружений и элементов оборудования. В данной работе на базе численного моделирования выполнен анализ влияния скорости ветра и наличия препятствия (здания) на характеристики зон токсического поражения для случая аварийного выброса сжиженного хлора.

Математическая модель При разгерметизации емкости с сжиженным газом в результате резкого снижения давления и нарушения термодинамического баланса происходит мгновенное вскипание определенной части жидкой фазы. При мгновенном испарении жидкости формируется первичное облако пара. Доля мгновенно вскипающей жидкости находится из соотношения [1]:

x и = 1-exp

CP,liq

AH„

где Оруд — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К); То — температура сжиженного газа в емкости, К; Ть — температура кипения жидкости, К; ДНд— удельная теплота парообразования при температуре кипения и атмосферном давлении, Дж/кг.

В результате мгновенного вскипания расширяющиеся пары диспергируют и увлекают часть жидкости, поэтому образующееся облако содержит смесь пара и жидкости в виде аэрозольных капель. Масса выброшенных капель жидкости принималась равной массе мгновенно образовавшейся паровой фазы [1]. Для прогнозирования перемещения аэрозольных частиц использовали уравнение [2]:

dup / ч =Fd (ui - up h

9i(Pp -P) pp

где ир - проекция скорости движения капли; и -проекция скорости несущей фазы; рр- плотность капли, кг/м3; р - плотность несущей фазы, кг/м3; ^ -шаг по времени; Ро(и-|-ир) - сила сопротивления на единицу массы частицы [2].

Уравнение, определяющее интенсивность испарения аэрозольных частиц, имеет вид:

йтр

----р = • А • М ,

^ д р д где тр - масса капли, кг; Ыд - молярный поток пара, кмоль/(м2-с); Ар - площадь поверхности капли, м2; Мд - молекулярная масса, кг/моль.

Молярный поток пара от поверхности

капли:

Ng = kc

mpCP,p dt asAp

где кс - коэффициент массоотдачи, м/с; Одз Од,« -концентрация пара соответственно у поверхности капли и в окружающем газе, кмоль/м3.

Изменение температуры капли

определяется уравнением:

^р / ч dmp

вАр (_ Тр К-/ • АНд

где тр - масса капли, кг; ОРр - теплоемкость капли, Дж/(кг-К); а8- коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м •К); Тм - локальная температура несущей фазы, К; Тр- температура капли, К.

Для учета дополнительного нагрева воздуха вследствие конденсации водяного пара в холодном аэрозольном облаке использовалась функция источникового члена в уравнении энергии и в уравнении переноса компонента (паров воды) [3]:

df df

= рw • АН\« • ^ _ pw • ,

dt dt

где ДHw - теплота парообразования воды, Дж/кг; pw

- плотность воды, кг/м3; f - разность между

концентрацией паров воды в воздухе и

концентрацией насыщения, кг/м3.

Оставшаяся после мгновенного вскипания часть сжиженного газа образует пролив. Модель парообразования из пролива сжиженного газа подробно описана в [4]. Интенсивность парообразования, определенная по вышеописанным моделям, использовалась в качестве граничного условия в области источника в задаче

распространения примеси в атмосфере, включающей численное решение полной системы трехмерных нестационарных уравнений Рейнольдса, переноса массы и энергии, замыкаемых Realizable k-£ моделью турбулентности.

Численное исследование влияние препятствия на размеры зон поражения

Выполнен численный расчет размеров зон токсического поражения в случае залпового выброса 1 тонны сжиженного хлора при наличии препятствия в виде одиночного здания. Ветер был направлен перпендикулярно зданию, а центр выброса располагался на расстоянии 58 м от наветренной стороны препятствия и смещен относительно оси, проходящей через центр здания вдоль направления ветра на 6 м (рис. 1). Состояние атмосферы -изотермия. Скорость ветра варьировалась и имела значения 1, 2,5 и 5 м/с на высоте 10 м. Начальная температура сжиженного газа в емкости принималась равной температуре окружающей среды TQ=Ta=308 К. Относительная влажность воздуха задавалась равной 50%, соответствующая данной влажности массовая доля водяного пара в воздухе равна 0,018 кг/кг. Тип подстилающей поверхности - бетон. Источник первичного облака представлялся в виде цилиндра с радиусом равным высоте. Площадь пролива жидкости, оставшейся после мгновенного вскипания,

определялась из условия образования слоя толщиной

0,05 м [5].

Время экспозиции t3KCn при расчете размеров зон поражения принято равным 30 мин.

На рис. 2 представлены изолинии летальной

3 3

Рис. 1 - Схема расположения источника выброса относительно здания

Границы зоны токсического поражения

аммиаком оценивались по значению показателя токсодозы Dg(x,y,z):

Dg(x,y,z) = jYg(x,y,z,t)pdt =£ Yg(x,y,z,t)pAt

0 N

где t3KCn — время экспозиции, с; N — количество шагов по времени; At — шаг по времени, с; Yg — концентрация опасного вещества в воздухе, кг/м3. Функция вычисления токсодозы была реализована на языке программирования Си и интегрирована в пакет FLUENT.

Рис. 2 - Изолинии летальной и пороговой токсодоз при наличии препятствия и различных скоростях ветра: а)1 м/с; б)2,5 м/с; в) 5 м/с

токсодоз хлора при наличии здания и различных скоростях ветра. С увеличением скорости ветра размеры зоны, ограниченной летальной токсической дозой, уменьшаются, так как интенсификация турбулентного рассеяния газа с увеличением скорости ветра приводит к снижению концентрации газа и, следовательно, токсодозы. В целом, такое же влияние оказывает скорость ветра на размеры зоны, ограниченной пороговой токсодозой.

Протяженность зоны, ограниченной значением пороговой токсодозы, максимальна при скорости ветра 2,5 м/с. При скорости ветра 1 м/с протяженность зоны порогового воздействия ограничена расстоянием переноса переднего фронта облака при заданном времени экспозиции (30 мин), поэтому она меньше, чем при 2,5 и 5 м/с. При скорости ветра 5 м/с расстояние достижения пороговой токсодозы в направлении ветра меньше, чем при 2,5 м/с вследствие более интенсивного турбулентного перемешивания газа. При наличии

препятствия имеет место раздвоение зоны летального поражения, связанное с преимущественным переносом облака вдоль боковых сторон препятствия. Следует отметить, что ассиметрия зоны летального воздействия при наличии здания увеличивается с увеличением скорости ветра. Это связано с тем, что источник выброса смещен относительно оси, проходящей через центр здания, и газ преимущественно переносится по направлению ветра. При скорости ветра 1 м/с, вследствие действия гравитационных сил, облако тяжелого газа приобретает значительную поперечную протяженность, которая существенно превосходит ширину здания. В связи с этим при данной скорости ветра наблюдается симметрия зон поражения относительно здания.

Литература

1. В. Маршалл. Основные опасности химических производств. М., Мир, 1989, 672 с.

2. Fluent Inc. Fluent 6.1 // User’s Guide.—Lebanon, 2003.

3. Моделирование пожаров и взрывов / Под ред. Н.Н. Брушлинского и А.Я. Корольченко. - М.: Пожнаука, 2000. - 492с.

4. Старовойтова, Е.В. Моделирование парообразования с поверхности аварийного пролива сжиженного газа / Е.В.Старовойтова, А. Д. Галеев, С.И. Поникаров // Вестн. Казан. технол. ун-та. — 2012. — Т. 15, №4. — С.110-113.

5. РД-03-26-2007. Методические указания по оценке

последствий аварийных выбросов опасных веществ (утв. Приказом Федеральной службы по

экологическому, технологическому и атомному надзору от 14 декабря 2007 г. №859).

© Е. В. Старовойтова - мл. науч. сотр. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, starovojtova@inbox.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, mahp_kstu@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.