Тема 10. Модели распространения примесей в средах Модели распространения примесей в водной среде

Существуют различные гидродинамические модели, учитывающие распространение загрязнений, процесс переноса и перемешивания в водной среде для источников различного типа. Обычно расчет распространения примесей в воде выполняется на основе модели турбулентной диффузии примесей.

Где d – концентрация; F – мощность распределительного источника; - коэффициенты турбулентной диффузии по направлениям осей координат.

Это уравнение описывает распространение примесей и естественных субстанций в море. Оно позволяет объяснить вытягивание пятен примесей от мгновенных источников (аварийный выброс нефти). Основным фактором формулы пятна является вертикальный градиент скорости. Если пятно достигает типичных размеров, горизонтальных неоднородностей, то влияние неоднородности преобладает. Пятна, порожденные стационарным источником, вытягиваются под углом к направлению среднего течения. В результате создается так называемый хвост примеси. По этой модели решаются задачи распределения примесей на плоскости – двумерные задачи, и в пространстве – трехмерные задачи, с учетом распределения загрязнения по глубине. С учетом конкретной задачи вводится ряд допущений.

Распространение загрязнений в атмосфере.

Существуют различные модели, учитывающие распространение загрязнений в атмосфере. процессы переноса и перемешивания в воздушной среде для источников различного типа. В основу этих моделей положена распространенная модель турбулентной диффузии примеси. На ее основе разработана методика расчета рассеивания в атмосфере вредных веществ, со­держащихся в выбросах промышленных предприятий.

Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ, со­держащихся в выбросах промышленных предприятий.

Критерии оценки загрязнения атмосферы.

Представляет практический интерес факельный выброс пылегазовоздушной смеси промышленных предприятий. Он основан на дальнобойности свободной затопленной струи и эжекционном вовлечении этой струей окружающего воздуха. Среди основных типов источников атмосферных выбросов промышленных предприятий выделяются одиночные. Их подразделяют на четыре класса в зависимости от высоты трубы [1]. Наиболее распространенным видом рассеивания является движение газовой струи в подвижной среде при горизонтальном перемещении воздушных масс. При этом различают три вида струи – волнообразную, конусообразную и веерообразную.

В качестве критерия оценки качества атмосферного воздуха выступают ПДК в воздухе населенных пунктов [2, 7, 8]. Методика расчета рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в вы­бросах, основана на определении концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха (С_м [мг/м³]) в соответствии с ОНД – 86 [4 ]. Степень опасности загрязнения определяется по наибольшему значению приземной концентрации С_м. Максимальная разовая концентрация С_м не должна превышать предельно — допустимой концентрации (ПДК):

С_м<=ПДК

Разовая концентрация вредных веществ определяются по пробам в отобранном сече­нии в течении 20 минут. При одновременном совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных ве­ществ, обладающих суммарным действием, их безразмерная суммарная концентрация не должна превышать единицы:

∑ (С_мi/ПДК_i) <= 1

Максимальные разовые ПДК являются основной характеристикой опасности вредных веществ, не обладающих коммулятивным действием.

На территориях санитарных охранных зон курортов, в местах размещения крупных санаториев и домов отдыха, зонах отдыха городов с населением более 200 тыс. человек приземные максимальные концентрации вредных веществ не должны превышать 0,8 ПДК, установленных Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий для атмосферного воздуха населенных пунктов [5]..

Расчет рассеивания в атмосфере вредных веществ из одиночного источника осуществляется по следующим направлениям:

• Расчет рассеивания нагретых выбросов

• Расчет рассеивания холодных выбросов

• Исследование влияния конфигурации устья источника выброса на рассеивание загрязнений в атмосфере

• Нахождение предельно-допустимого выброса вредных веществ и его минимальной высоты.

Цель такого расчета состоит в контроле выбросов предприятия и в нахождении наиболее приемлемых условий выброса газопылевых выбросов в атмосферу. Для этого в соответствии с методикой осуществляется:

1. Определение максимальной приземной концентрации вредных веществ С_m (мг/м³),

2.Исследование зависимости С_m от высоты источника H С_m (мг/м³), С_т=f₂(H) (м).

3. Определение расстояния выброса от оси факела, при котором достигается максимальная концентрация вредных веществ X_m

4. Исследование зависимости от высоты источника X_m=f(H, D).

5. Определение опасной скорости ветра на уровне флюгера U_m , при которой получаем наибольшую C_mu .

6. Определение максимальной приземной концентрации при неблагоприятных метеоусловиях C_mu .

7. Определение расстояния от источника выброса X_mu, при котором достигается максимальная величина C_mu.

8. Исследование зависимости концентрации вредных веществ от расстояния от источника

9. Исследование зависимость концентрации вредных веществ от расстояния от источника по перпендикуляру от оси факела .

Основной задачей расчета рассеивания нагретых выбросов является определение максимальной приземной концентрации вредных веществ С_М для выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного (точечного) источника с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии х_М (м) от источника должна определяться по формуле [3]:

(1)

где А — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе. С^2/3 мг • град^1/3;

М — количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с;

F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе:

m и n — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

Н — высота источника выброса над уровнем земли, м;

ΔT — разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси T_Г и температурой окружающего атмосферного воздуха T_В, град;

V₁ — объем газовоздушной смеси, м³/с, определяемый по формуле

(2)

где D — диаметр устья источника выброса, м;

ω₀ — средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.

Задача исследования состоит в оценке влияния параметров расчета на величину С_М

с целью ее снижения и выбора вариантов управления этим процессом за счет параметров расчета, отражающих физические условия газопылевого выброса.

По результатам расчетов и сопоставлению аналогичных графических зависимостей для нагретых и холодных пылегазовоздушных выбросов проводится сравнительный анализ влияния параметров выброса. Он должен содержать обоснование выявленных различий, преимуществ при рассеивании в атмосфере для нагретых выбросов, целесообразности реконструкции источника с целью увеличения высоты трубы в зависимости от температуры выброса и выбора мокрых или сухих методов предварительной очистки, а также предоставить рекомендации по улучшению процесса рассеивания.

При исследование влияния конфигурации устья источника выброса на рассеивание загрязнений в атмосфере рассматриваются три формы устья – круглая, квадратная и вытянутая. Сравнение проводится по максимальной приземной концентрации вредных веществ С_m (мг/м³) и расстоянию выброса от оси факела, при котором достигается максимальная концентрация вредных веществ X_m.

Нахождение предельно-допустимого выброса вредных веществ и его минимальной высоты служит основанием для определения предельной нагрузки предприятия на окружающую среду и расчета требуемой эффективности очистных сооружений, которые не позволят превысить расчетную величину выброса, а также для дальнейшего выбора очистного оборудования.