9. Антропогенне навантаження при аваріях і

катастрофах

9.1. Моделювання процесів випару і розсіювання пари екологічно небезпечних рідин в атмосфері в результаті аварійних ситуацій

Зосередження небезпечних речовин, таких, як хлор, аміак, зріджений природний газ в місцях виробництва і зберігання, підвищення одиничної потужності агрегатів і сховищ робить надзвичайно актуальною проблему охорони навколишнього середовища, підвищення надійності і безпеки хімічних підприємств і транспортно-перевантажувальних комплексів. Таким чином, оцінка потенційної небезпеки, пов'язаної із зберіганням значних об'ємів подібних речовин надзвичайно важлива для регулювання антропогенного навантаження, раціонального розміщення виробничих об'єктів, розробки мерів індивідуальної і колективної безпеки обслуговуючого персоналу і населення.

У літературі [25-33] описані характерні сценарії крупних аварій на промислових підприємствах, причому виділені чотири їх типу: 1) витік газу з пошкодженого трубопроводу або ємності з подальшим утворенням вибухо- і пожеженебезпечної газо-повітряної суміші; при цьому можливо порівняльне повільне згорання хмари або вибух і пожежа, що супроводяться значними руйнуваннями навколишніх будівель і споруд; 2) перегрів при пожежі вмісту технологічних апаратів з подальшим вибухом; 3) витік токсичного газу і можливе ураження людей, що знаходяться поблизу; 4) аварійний викид токсичних продуктів на ґрунт, в річки і озера з ураженням фауни і флори і виникненням небезпеки для населення. Розроблені також методики прогнозування масштабів зараження небезпечними речовинами при аваріях на хімічних підприємствах [31-33].

Проведення відповідних оцінок є вельми складним комплексним завданням. Як її окремі елементи необхідно виділити оцінку надійності устаткування і технологічних процесів, ймовірність виникнення аварійних ситуацій унаслідок зовнішніх чинників, взаємодія різних виробництв і підприємств.

Таблиця 8.2 - Нормативні рівні звукового тиску в октавних смугах частот, рівні звуку і еквівалентні рівні звуку

Приміщення або територія	Нормативний рівень звукового тиску (дБ) при середньогеометричній частоті октавної смуги, Гц.								Нормативний (еквівалентний) рівень звуку, дБа
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Конструкторське бюро, приміщення обчислювальних центрів, лабораторії	71	61	54	49	45	42	40	38	50
Робочі кімнати управління	79	70	63	58	55	52	50	49	60
Ділянки точної збірки	83	74	68	63	60	57	55	54	65
Території підприємств	99	92	86	83	80	78	76	74	85
Операційні, палати лікарень	51	39	31	24	20	17	14	13	25
Житлові приміщення	55	44	35	29	25	22	20	18	30
Території лікарень, санаторіїв	59	48	40	34	30	27	25	23	35
Класи і аудиторії	63	52	45	39	35	32	30	28	40
Території житлової забудови	67	57	49	44	40	37	35	33	45
Зали кафе, ресторанів, фойє театрів	75	66	59	54	50	47	45	43	55
Торгівельні зали магазинів, спортзали, пасажирські зали вокзалів	79	70	63	58	55	52	50	49	60

Таблиця 8.3 - Поправки до нормативних рівнів

Впливаючий чинник	Умови	Поправка, дБ або дБА
Характер шуму	Широкосмуговий, тональний або імпульсний	0 -5
Місцерозташування	Курортний район, проектований житловий район, забудова	-5 0 +5
Час доби	7 – 23 час. 23 –7 час.	+10 0

Таблиця 8.4 - Допустимі значення параметрів вібрації

Середньогеометричні частоти октавних смуг, Гц	Загальна вібрація		Локальна вібрація
	Коливальна швидкість, мм/с	Рівень коливальної швидкості, дБ	Коливальна швидкість, мм/с	Рівень коливальної швидкості, дБ
2	11,2	107	-	-
4	5	100	-	-
8	2	92	50	120
16	2	92	50	120
31,5	2	92	35	117
63	2	92	25	114
125	-	-	18	111
250	-	-	12	108
500	-	-	9	105
1000	-	-	6,3	102
2000	-	-	4,5	99

Центральну роль в оцінці ризику і можливого впливу на навколишнє середовище екологічно небезпечних хімічних речовин грає прогнозування наслідків аварійних викидів, розливів і витоків токсичних речовин в атмосферу [26].

На етапі прогнозування глибини ураження і концентраційних полів домішки рішення задачі ускладнюється необхідністю обліку специфічних особливостей, властивих різним речовинам, складним характером перенесення повітряних мас у відносно невеликих областях простору поблизу земної поверхні, відмінностями фізичних механізмів процесів на різних етапах їх розвитку і тому подібне

На кафедрі хімії і охорони навколишнього середовища ОДАХ в даний час розроблена методика прогнозування зон ураження в разі аварійних розливів низькотемпературних екологічно небезпечних рідин (зріджені аміак, хлор, метан, природний газ тощо).

Дана методика враховує:

- нестаціонарність процесу випару рідини з підстилаючої поверхні;

- можливість утворення і еволюцію аерозольної хмари;

- розповсюдження газо-повітряної хмари;

- зміни метеорологічних умов в процесі розсіювання домішки;

- особливості рельєфу місцевості і локальні зміни швидкості і напрями вітру.

Слід зазначити, що озеро НР (тобто речовини з нормальною температурою кипіння нижче температури навколишнього середовища) є джерелом домішки складного типа. В результаті аварії можливе утворення озер значних розмірів і глибин, що існують тривалий час (цілодобово або навіть тижнями). При цьому озеро рідини є джерелом забруднення змінної продуктивності G(t). Тому одним із завдань розрахунків кипіння і випару рідини з ґрунту (у загальному випадку довільної підстилаючої поверхні) було визначення залежності продуктивності джерела від часу.

Методика розрахунку швидкості випару з поверхні озера розлитої на підстилаючу поверхню НР використовувала наступні допущення:

- підстилаюча поверхня є однорідним, непористим напівнескінченним тілом з плоскою границею;

- поверхня розділу “рідина-повітря” вважається плоскою; хвилювання відсутнє;

- теплофізичні і фізико-хімічні характеристики повітря і НР постійні і вибираються для повітря при температурі навколишнього середовища, а для НР - при нормальній температурі кипіння.

Слід зазначити, що використання обумовлених допущень виправдане з урахуванням точності розрахунку результуючих величин (концентрацій пари НР в повітрі). Проте, є можливість оцінки впливу відхилення поверхні розділу від плоскої (допущення 2). Сучасна теорія тепло- і масообміну дозволяє також розглядувати підложку як пористе тіло (допущення 1). Спеціальний аналіз, заснований на вивченні температурних залежностей теплофізичних характеристик, послужив основою для використання допущення 3. Проте застосування і цього допущення не є принциповим, і воно може бути зняте.

Таким чином, рівняння енергетичного балансу даної системи має наступний вигляд:

(9.1)

де - початкова маса рідини, що знаходиться на підстилаючій поверхні; F - площа поверхні випару і контакту з підстилаючою поверхнею; j - питомий потік маси, що випаровується з вільної поверхні рідини; - ентальпії насиченої рідини і пари відповідно ( відповідає початковій ентальпії рідини); - щільність теплових потоків від ґрунту і повітря відповідно; - щільність радіаційного теплового потоку. Результати розрахунків представлені на рис. 9.1.

Рисунок 9.1. Динаміка випару аміаку з підстилаючої поверхні

Нестаціонарність процесу випару зв'язана, насамперед, з нестаціонарністю теплового потоку до рідини від ґрунту (рис 9.2). Так, в початковий момент аварії величина теплового потоку на границі «грунт-рідина» може досягати величин порядку 7000-10000 Вт/м². Потім, унаслідок промерзання ґрунту, ця величина знижується до 100-200 Вт/м². Крім того, з графіка видно, що на етапі стаціонарного випару основну роль грає радіаційний тепловий потік, що має величину порядку 1000 Вт/м². Щодо питомого теплового потоку на границі «повітря-рідина» слід зазначити, що його значення зменшується із зростанням лінійних розмірів розливу і збільшується із зростанням швидкості вітру. Порівняння отриманих даних з експериментальними представлене в таблиці 9.1 (кг/м² c).

Рисунок 9.2. Потужності теплових потоків, що визначають швидкість випару озера низькокиплячої рідини

Таблиця 9.1 - Зіставлення розрахункових і експериментальних

даних

Значення	Початковий період	Стаціонарний період
Розрахункові значення	0.01	0.0018-0.002
Розрахунки Хуза и Балклі	0.009	0.00167
Експериментальні значення	0.009-0.011	0.002-0.0023

У ряді випадків на початковому етапі розливу (витоку або викиду) можливе утворення аерозольної хмари. Унаслідок того, що процес вирівнювання тиску, що відбувається при руйнуванні ємкості, відбувається практично миттєво, даний процес можна вважати за адіабатичний. Тоді ступінь розширення аміаку може бути розрахована по формулі:

(9.2)

де V – кінцевий об’єм суміші, - початковий об’єм суміші, - початковий тиск суміші, Р_ат- атмосферний тиск, k – показник адіабати аміаку (k=1.3).

Оскільки аміак зберігається в рідкому стані, по відомій початковій його температурі (240 К) можна визначити його кінцеву температуру і тиск:

; (9.3)

, (9.4)

де - температура і тиск суміші при відповідному ступені розширення.

Тиск насиченої пари над поверхнею є функцією температури і може бути отриманий з відповідних довідників або розрахований по формулі:

,

де , Е - константи.

Таким чином, може бути знайдена ступінь пересичення S:

, (9.5)

Критичний ступінь пересичення розраховується співвідношенням:

, (9.6)

де , причому при практичних розрахунках можна приймати C=0.242; М - молекулярна маса; ,  - густина і поверхневе натягнення аміаку при температурі T’.

Умова утворення туману . Крім того, ймовірність утворення аерозольної хмари зростає за наявності в атмосфері різних домішок, які можуть бути центрами конденсації.

Характерною особливістю пари НР є те, що на початковому етапі аварії вони поводяться як важкий газ або аерозоль. Дослідження розповсюдження важкої хмари проводилося на підставі рівняння Бернуллі.

Передбачається, що початкові розміри хмари залежать від потужності викиду:

, (9.7)

де Q - потужність викиду,  - частка викиду, що доводиться на аерозольну систему.

Дані, що отримуються по формулі (7), добре узгоджуються з даними спостережень.

Зміну радіусу хмари можна розрахувати по співвідношенню:

, (9.8)

де с - постійна рівняння Бернуллі - густина повітря, - об'єм “початкового циліндру, g - прискорення вільного падіння.

У рівнянні Бернуллі зазвичай вважають с=2, проте експерименти показали, що поведінка важких хмар краще враховується, якщо приймається с=1.150.05.

Висота хмари слабо залежить від потужності розливу і характерна залежність приведена на рис. 9.3.

Рисунок 9.3. Залежність товщини хмари від часу

Час життя аерозольної хмари розраховувався на основі критерію Джіффорда:

, (9.9)

де С=0,2 .

Розрахунок концентраційних полів усередині хмари здійснювався по наступній формулі:

(9.10)

Дослідження процесу розповсюдження газо-повітряної хмари ґрунтувалося на чисельному вирішенні рівняння турбулентної дифузії:

(9.11)

де c- концентрація домішки аміаку в повітрі; u,v,w – складові швидкості вітру уздовж координат х,y,z; - коефіцієнти турбулентної дифузії уздовж осей x,y,z, відповідно.

На рис 9.4 представлені результати розрахунків глибин ураження за різних погодних умов. Характерні максимуми глибин ураження викликані утворенням в початковий момент аварії потужного газового викиду, який в деяких випадках приводить до виникнення зони високої концентрації домішки, здатної навіть відриватися від основної газо-повітряної хмари (рис. 9.5).

В цілому розрахунки показали, що наявність обваловки дуже сильно зменшує протяжність зони високих концентрацій; за наявності обваловки збільшення потужності розливу (понад 3-5 тис.т) дуже слабо впливає на концентраційну обстановку; відсутність прямого сонячного світла над розливом помітно зменшує швидкість випару рідини; найбільш несприятливими погодними умовами є слабкий вітер і інверсійний розподіл температури атмосфери.