Вадим Романов - Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

• Название: Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу
• Автор: Вадим Романов
• Жанр: Экология
• Год: 2006
• ISBN: 978-5-89155-166-2

Книга посвящена проблемам загрязнения окружающей среды при авариях промышленных предприятий и объектов разного профиля и имеет, в основном, обзорный справочный характер.

Изучается динамика аварийных турбулентных выбросов при наличии атмосферной диффузии, характер расширения турбулентных струйных потоков, их сопротивление в сносящем ветре, эволюция выбросов в реальной атмосфере при наличии инверсионных задерживающих слоев.

Классифицируются и анализируются возможные аварии с выбросами в атмосферу загрязняющих и токсичных веществ в газообразной, жидкой или твердой фазах, приводятся факторы аварийных рисков.

Рассмотрены аварии, связанные с выбросами токсикантов в атмосферу, описаны математические модели аварийных выбросов. Показано, что все многообразие антропогенных источников загрязнения атмосферного воздуха при авариях условно может быть разбито на отдельные классы по типу возникших выбросов и характеру движения их вещества. В качестве источников загрязнений рассмотрены пожары, взрывы и токсичные выбросы. Эти источники в зависимости от специфики подачи рабочего тела в окружающее пространство формируют атмосферные выбросы в виде выпадающих на поверхность земли твердых или жидких частиц, струй, терминов и клубов, разлитий, испарительных объемов и тепловых колонок. Рассмотрены экологические опасности выбросов при авариях и в быту.

Книга содержит большой иллюстративный материал в виде таблиц, графиков, рисунков и фотографий, который помогает читателю разобраться в обсуждаемых вопросах. Она адресована широкому кругу людей, чей род деятельности связан преимущественно с природоохранной тематикой: инженерам, научным работникам, учащимся и всем тем, кто интересуется экологической и природозащитной тематикой.

---

Взрыв парового или газового облака является результатом быстрого выделения энергии в окислительно-восстановительной реакции. При этом газ нагревается, и в условиях ограниченного пространства происходит увеличение давления (в некоторых случаях восьмикратное) [1, 105].

Для взрыва газо-воздушной смеси необходимы следующие условия:

— присутствие горючего газа;

— присутствие кислорода, причем для любого газа существует определенный уровень концентрации кислорода;

— наличие источника инициации химической реакции.

При взрыве возникает фронт пламени, который продвигается под воздействием расширяющихся продуктов сгорания газа. Видимая скорость пламени зависит от геометрии системы, в которой происходит взрыв.

Взрыв парового облака в неограниченном пространстве

Определяется как процесс быстрого химического превращения (горения) облака горючего газа (пара), сопровождающийся возникновением взрывной волны в открытом (неограниченном) воздушном пространстве. Этот тип взрывов происходит, например, при разливе сжиженного горючего газа. Газ рассеивается и смешивается с воздухом, пока не происходит взаимодействие с источником возгорания. Взрывы такого типа происходят довольно редко, так как концентрация взрывоопасных веществ часто находится ниже нижнего предела возгорания из-за разбавления газовоздушной смеси и ее рассеивания. Однако они являются одними из наиболее разрушительных, поскольку в процесс вовлекаются большие объемы газа и большие площади.

Взрыв парового облака в неограниченном пространстве состоит из нескольких последовательных шагов:

1. Внезапный выброс огромного количества воспламеняемого пара. Обычно это происходит при разрушении емкостей, содержащих перегретые жидкости под давлением.

2. Распространение газа по территории и смешивание с воздухом.

3. Возгорание образовавшегося парового облака.

Классическим примером взрыва парового облака в неограниченном пространстве может служить авария в Фликсборо (Великобритания) [1, 103]. Внезапный разрыв трубопровода между реакторами привел к выбросу 30 тонн циклогексана. Паровое облако распространилось по территории завода и было подожжено неизвестным источником через 45 секунд после выброса. Завод был полностью разрушен, погибло 28 человек и еще 89 получили ранения.

Взрыв парового облака очень трудно охарактеризовать. В первую очередь из-за огромного числа параметров, необходимых для описания этого события. Аварии происходили при неконтролируемых обстоятельствах. Данные, собранные от различных аварий, большей частью ненадежны и плохо сопоставимы [1, 103, 105–108].

Некоторыми величинами, влияющими на поведение взрыва парового облака, являются:

• количество утекшего вещества,

• доля испарившегося вещества,

• вероятность возгорания облака,

• расстояние, которое прошло облако до возгорания,

• время задержки до возгорания облака,

• существование порогового количества вещества,

• эффективность взрыва,

• расположение источника возгорания по отношению к месту утечки.

Качественные исследования показали, что вероятность возгорания увеличивается с увеличением размера парового облака; паровое облако приводит к пожару намного чаще, чем ко взрыву; эффективность взрыва обычно мала — приблизительно 2 % энергии сгорания переходит в ударную волну; турбулентное перемешивание парового облака с воздухом и возгорание облака в точке, удаленной от места утечки, увеличивает влияние взрыва.

Почти не существует данных об уровне избыточного давления любого взрыва парового облака, полученных при помощи аппаратуры. Однако в ряде литературных источников доказывается, что хотя величина избыточного давления может быть невелика, но разрушающее воздействие ударной волны, по сравнению с взрывом обычного взрывчатого вещества, характеризующимся той же величиной избыточного давления, будет намного больше из-за гораздо большей длительности взрыва (или величины импульса).

Взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости

Это явление, происходящее при внезапном разрушении резервуара со сжиженным горючим газом и наличии источника воспламенения. Резкое падение давления (при разрушении резервуара) вызывает вскипание жидкости с образованием воздушной ударной волны, приводящей к разрушениям и появлению осколочного поля. Мгновенное воспламенение парового облака приводит к возникновению огневого шара.

Очень часто взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости происходит во время пожара и состоит из следующих стадий [105]:

1. Рядом с сосудом, содержащим сжиженный газ, начинается пожар.

2. Пламя накаляет стенки резервуара.

3. Стенки резервуара ниже уровня жидкости охлаждаются жидкостью, происходит увеличение температуры жидкости и давления в резервуаре.

4. Если пламя достигает стенок или крышки резервуара в том месте, где присутствует только газовая фракция и нет жидкости для отвода тепла, то происходит нагрев стенок сосуда, при котором происходит потеря их прочности.

5. Стенки сосуда разрушаются, происходит выброс сжиженного газа, который тут же испаряется.

6. Пары от мгновенного испарения жидкости зажигаются и образуют огневой шар.

Если взрыв паров расширяющейся жидкости произошел не в результате пожара, то после испарения сжиженного газа может произойти взрыв парового облака в неограниченном пространстве.

Объемный пылевой взрыв

Обычно возникает при воспламенении пылевоздушных смесей, содержащих мелкие горючие частички твердых веществ. Известны объемные взрывы на мукомольных, деревообрабатывающих, горнорудных предприятиях [1, 103, 105].

Для того, чтобы произошел взрыв пылевого облака внутри зданий и в оборудовании необходимо инициирующее внешнее воздействие при достаточно высокой, непереносимой человеком, концентрации пыли; эти объемы обычно непрозрачны. Такие облака могут сохранятся довольно длительное время внутри оборудования (например, элеватора и механизмов дробления), однако, они не могут существовать в течении длительного промежутка времени внутри зданий.

Взрывы пылевого облака опасны тем, что первоначальный инициирующий взрыв способствует возмущению и турбулизации пыли, что приводит к последующему более мощному взрыву. Поэтому взрыв, произошедший в оборудовании, может привести ко вторичному взрыву, который охватит все здание и вызовет намного больший ущерб.

Пылевые взрывы наиболее трудно классифицировать и привести к общей характеристике. Частички пыли сильно отличаются по величине и их размеры на несколько порядков больше, чем у молекул газа. К тому же на поведение частичек пыли большое влияние оказывает электростатическое притяжение.

Экспериментально установлено, что для того чтобы вызвать взрыв, пылевая взвесь должна обладать следующими характеристиками:

• частицы должны быть меньше определенного минимального размера (в литературе дается значение 76 мкм [105]);

• концентрация пыли должна находится в определенных границах. Верхние концентрационные пределы распространения пламени (ВКПР) обычно достаточно велики, и достичь их в производственных помещениях практически невозможно. Поэтому наиболее важен нижний предел, а также более высокие концентрации, при которых достигается максимальная объемная плотность энерговыделения;

• пыль должна быть примерно однородна.

Для большинства пылевых облаков нижний предел концентрации взрыва находится между 20 и 60 г/м3, а верхний предел между 2 и 6 кг/м3 [105].

Взрывы могут протекать в режиме детонации или в режиме дефлаграции; различие основано на скорости ударной волны, возникающей в результате взрыва. Если скорость распространения ударной волны выше, чем скорость звука в непрореагировавшей среде, то это детонация. Если же ниже, то — дефлаграция.

Взаимоотношения между фронтом ударной волны и фронтом реакции определяются режимом взрыва. При дефлаграции давление обычно увеличивается на несколько атмосфер. При детонации давление увеличивается в десятки раз. Существенно различаются и импульсные характеристики взрыва.

Существует два механизма, приводящих к детонации. В первом механизме — тепловом — происходит увеличение температуры реакционной смеси, приводящее к самоускорению скорости реакции. Во втором механизме — цепном разветвленном — происходит быстрое увеличение количества реагирующих свободных радикалов. Обычно этот процесс происходит, если в результате реакции от одного свободного радикала получается два.

Дефлаграция может переродится в детонацию. Это часто происходит в трубопроводах, но маловероятно в сосудах и на открытом пространстве.