Постановка лабораторної роботи на ПЕОМ по дослідженню витоку газу в аварійних режимах
Введення
Взаємодія між природою та людиною вивчає наука - екологія. В процесі своєї господарської діяльності людина впливає на природу, покращуючи або руйнуючи її. Масштаби виробничої діяльності людини настільки великі, що не враховувати цього не можна.
У свою чергу, природа впливає на людину, створюючи йому сприятливі або несприятливі умови для існування.
В даний час, у зв'язку з важким економічним становищем у країні знизилася фінансування будівництва природозахисних споруд, заміни виробило свій ресурс устаткування, впровадження нових, більш безпечних технологій. Слід зазначити що зросла відповідальність як фізичних, так і юридичних осіб за порушення природоохоронного законодавства. Зокрема це стосується викидів, в загальному випадку, в навколишнє середовище, газів, рідин або твердих тіл (наприклад витоку газу з газопроводів, викиди цементній або вугільного пилу, витоку нафти, бензину з цистерн).
Моделювання витоків речовин, особливо із застосуванням комп'ютерної техніки, дозволяє проводити розрахунок захисних систем, планів з ліквідації наслідків витоку, планів евакуації місцевого населення. У даному випадку (втік газу), слід враховувати біологічний вплив розглянутого газу на живі об'єкти в районі витоку.
Відповідно до Закону про охорону атмосферного повітря викиди підприємств не повинні призводити до перевищення нормативів гранично допустимих концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі.
Постановка завдання
Постановка лабораторної роботи з дослідження витоку газу в аварійних режимах. Потрібно розробити програму, що визначає:
кількість шкідливих речовин що виділяються з обладнання що працює під тиском;
кількість шкідливих речовин що виділяються з обладнання що працює під розрідженням;
максимальні концентрації при короткочасному виділення шкідливих речовин з наземних джерел (для точкового джерела);
максимальні концентрації при короткочасному виділення шкідливих речовин з наземних джерел (для лінійного джерела).
Визначення кількості шкідливих речовин, що виділяються з обладнання
Для вирішення питань забезпечення чистоти атмосферного повітря на хімічних і нафтохімічних підприємствах, де широко використовується відкрита встановлення обладнання, необхідно визначати надходження шкідливих речовин через фланцеві з'єднання обладнання, що перебуває під тиском або розрідженням. Істотним джерел забруднення повітря є також автотранспорт.
3.3.1. Визначення кількості шкідливих речовин, що виділяються з обладнання, що працює під тиском
Виходячи з нормованого коефіцієнта негерметичності, неперевищення якого гарантується випробуваннями устаткування на щільність і проведенням заходів, в результаті яких досягається необхідна нормами герметичність обладнання, можна з достатньою для практичних розрахунків точністю знайти величини викидів шкідливих речовин в атмосферу, а отже, прогнозувати забруднення приземного шару атмосфери.
Кількість газу випливає з обладнання під тиском визначається за такою формулою:
;
,
G - кількість газу випливає з обладнання (кг/ч);
V - обсяг газової або паро-повітряної фази в обладнанні (м3);
R - газова постійна для робочого середовища (Дж/(кг * К));
pН - робочий тиск газу (Па);
Т - температура газу (К);
m - коефіцієнт негермітічності обладнання та газопроводів, ч-1 (таблиця 1);
- щільність газу при робочому тиску і температурі (кг/м3).
За цією формулою можна визначити кількість що випливає з обладнання газу тільки в тому випадку, якщо випробування на щільність проводилося з тим же газом і при тій же його температурі, які будуть в обладнанні в робочому стані.
Таблиця 1.
Допустимий коефіцієнт негерметичності обладнання, ч-1
Найбільше робочий тиск в обладнанні, Па
До 2 * 105
2 * 105
7 * 105
17 * 105
41 * 105
401 * 105
Допустимий коефіцієнт
0.04
0.03
0.01
0.005
0.0005
0.0002
3.3.2. Визначення кількості шкідливих речовин, що виділяються з обладнання, що працює під розрядженням
Обладнання, токсична середу в якому знаходиться під розрідженням до 103 Па, є джерелом забруднення повітряного середовища. При розрідженні більше 1000 Па обладнання розглядається, як вакуумне, і до його герметичності пред'являються підвищені вимоги.
Оскільки до обладнання, що працює під розрідженням, не висувалося вимоги щодо його герметичності, то воно не піддавалося випробувань на щільність. Незважаючи на розрідження, внаслідок молекулярної дифузії через нещільність назустріч потоку повітря, відбувається винос шкідливих речовин в навколишнє середовище, особливо, якщо в обладнанні концентрації високотоксичних речовин у 105 разів і більше перевищують гранично допустимі.
Наприклад, згідно з виробничим досліджень з ванн електролізу хлору при недостатній їх герметизації навіть при розрідженні 40 - 60 Па може виділятися до 70 г/ч хлору на одну ванну. Необхідний повітрообмін для видалення цієї кількості хлору складає близько 70000 м3/ч. При гарній герметизації виділення хлору знижується в 3-4 рази.
Таким чином, герметизація устаткування сприяє значного скорочення капітальних та експлуатаційних витрат на вентиляцію, та забезпечення в цехах необхідної санітарними нормами чистоти повітряного середовища.
В.М. Ельтермани були виведені формули, які дозволяють визначити кількість шкідливих речовин, що проникають з обладнання назустріч потоку повітря внаслідок турбулентного або дифузійного переносу речовини.
Кількість газу випливає з устаткування під розрядженням визначається за такою формулою:
,
G - кількість шкідливих речовин що виділяються з обладнання (г/с);
F - площа отвору в корпусі обладнання (м2);
а - довжина каналу (м);
v - швидкість повітря (м/с);
С0 - концентрація шкідливого газу в устаткуванні (г/м3);
D - коефіцієнт дифузії газу в повітрі (м2/с).
Потрібно відзначити, що при стаціонарному потоці нескінченної довжини витрата шкідливого газу з обладнання дорівнює нулю. Якщо б у приміщенні, де встановлено обладнання, була зовсім невозмущенная повітряне середовище, то поле концентрацій шкідливих речовин, що створюють навколо джерел їх виділення, не порушувалося б, і витрата речовини дорівнював би нулю. Але так як у вентильованих приміщеннях повітря завжди рухливий, і повітряне середовище в них турбулізуется припливними і тепловими струменями, то протягом у всмоктуючого отвори порушується, і поле концентрацій навколо обладнання розмивається. У результаті цього концентрація шкідливих речовин поблизу устаткування знижується, з устаткування в приміщення поступають шкідливі речовини.
Визначення максимальних концентрацій при короткочасному виділення шкідливих речовин з наземних джерел
При аваріях (розривах трубопроводів, по яких транспортується газ з великим вмістом шкідливих речовин, вибухи цистерн з шкідливими речовинами, розливі на грунті легкокіпящіх і летких рідин) виділяється на кілька порядків більше шкідливих речовин, ніж при нормальній роботі обладнання. Як правило, таке виділення відбувається швидко. Аварія ліквідується протягом одного-двох годин, що розлилася хімічна рідина також в короткий термін збирається або зливається в закриті ємності, або покривається яких-небудь ізолюючим матеріалом, що перешкоджає її випаровування.
Головною Геофізичної обсерваторією під керівництвом М. Е. Берлянда розроблено метод розрахунку максимальних концентрацій шкідливих речовин від наземних короткочасних джерел.
3.4.1. Визначення максимальних концентрацій для точкового джерела
,
Cм - максимальна концентрація при короткочасному виділення шкідливих речовин для точкового джерела (мг/м3);
A - константа, за попередніми розрахунками A = 0.11;
M - потужність викиду (мг/с);
t - визначається технологами можлива тривалість аварії з великими виділеннями шкідливих речовин (с);
x - відстань від джерела (м).
3.4.2. Визначення максимальних концентрацій для лінійного джерела
,
Cм - максимальна концентрація при короткочасному виділення шкідливих речовин для лінійного джерела (мг/м3);
A - константа, за попередніми розрахунками A = 0.17;
M1 - потужність викиду (мг/(с * м)).
,
- сумарна величина всіх низьких викидів на майданчику (мг/с);
b - проекція кордонів промвузла на лінію, перпендикулярну осі промвузол - місто (м).
Дані про концентрацію у приземному шарі висотою 50 м були отримані шляхом чисельного розв'язання нестаціонарного рівняння дифузії. Зі збільшенням відстані від джерела концентрації зростають не відразу і максимум концентрацій настає через деякий час після початку дії джерела. На відстані x = 20 м і x = 40 м від джерела максимум концентрацій настає після припинення його дії.
Наведеними вище формулами можна також скористатися для визначення максимальної концентрації в житлових районах від наземних джерел при нормальній роботі обладнання, але при короткочасних особливо несприятливих метеорологічних умовах (штиль, інверсія). Тоді в формулах час t - тривалість безперервних особливо несприятливих метеорологічних умов (в с).
Для кожної точки x відповідають свої несприятливі метеорологічні умови. Поєднання малих швидкостей вітру і ослабленого турбулентного обміну призводить до максимальних значень наземних концентрацій шкідливих речовин поблизу джерела. На великих відстанях x несприятливі умови забруднення атмосфери проявляються при посиленому перемішуванні і значних швидкостях вітру.
Та обставина, що при аварійному викид шкідливих, у більшості своїй, вибухонебезпечних речовин концентрації на відстані від місця аварії зростають не миттєво, дає можливість вжити заходів проти можливих вибухів і отруєнь на сусідніх об'єктах. Рекомендується при аварії по всій території подати сигнал і почати проводити протівовзривние заходу: відключити приточні системи, закрити в припливних шахтах клапана і вікна в будинках, що знаходяться на заветренной стороні по відношенню до місця аварії, та інші заходи, які розроблені конкретно для кожного виробництва.
Вихідні дані й опис роботи програми для дослідження витоку газу в аварійних режимах
Програма для дослідження витоку газу в аварійних режимах, розроблена в даному дипломному проекті, використовує такі вихідні дані, що вводяться користувачем з терміналу ПЕОМ.
Для дослідження кількості газу випливає з обладнання під тиском:
V - обсяг газової або паро-повітряної фази в обладнанні, м3 (1.0-5.2);
m - коефіцієнт негермітічності обладнання та газопроводів, ч-1 (0.04-0.0002);
- щільність газу при робочому тиску і температурі , кг/м 3 (10-100).
Для дослідження кількості газу випливає з устаткування під розрідженням:
F - площа отвору в корпусі обладнання, м2 (0.001-0.01);
а - довжина каналу, м (0.01-0.31);
v - швидкість повітря, м/с (0.2-1);
С0 - концентрація шкідливого газу в устаткуванні, г/м3 (0.1-1);
D - коефіцієнт дифузії газу в повітрі, м2/с (0.01-0.2).
Для дослідження максимальної концентрація при короткочасному виділення шкідливих речовин для точкового джерела:
A - константа, за попередніми розрахунками A = 0.11;
M - потужність викиду, мг/с (10-100);
t - визначається технологами можлива тривалість аварії з великими виділеннями шкідливих речовин, з (10-70);
x - відстань від джерела, м (5-50).
Для дослідження максимальної концентрація при короткочасному виділення шкідливих речовин для лінійного джерела:
A - константа, за попередніми розрахунками A = 0.17;
M1 - потужність викиду, мг/(с * м) (10-100).
t - визначається технологами можлива тривалість аварії з великими виділеннями шкідливих речовин, з (10-70);
x - відстань від джерела, м (5-50).
В результаті роботи програми на терміналі комп'ютера з'являється набір шуканих числових величин з коментарями, а саме:
кількість газу випливає з обладнання під тиском, кг/год;
кількість шкідливих речовин що виділяються з обладнання при розрядження, г/с;
максимальна концентрація при короткочасному виділення шкідливих речовин для точкового джерела, мг/м3;
максимальна концентрація при короткочасному виділення шкідливих речовин для лінійного джерела, мг/м3.
Програма, що проводить дослідження витоку газу в аварійних режимах, написана на мові Javascript і вбудована в текст гіпертекстового документа, просмтр якого можливий броузером Інтернет типу Internet Explorer в ОС Windows95.
Для запуску програми необхідно відкрити в браузері Інтернет файл index.html. Введення даних здійснюється шляхом заповнення відповідних полів з клавіатури. Обчислення виробляються при натисканні покажчиком миші на клавішу "Обчислити результат".
Висновки
Відзначимо інженерні рішення, що забезпечують чистоту атмосферного повітря на хімічних і нафтохімічних підприємствах за санітарно-гігієнічним та техніко-економічними показниками.
За санітарно-гігієнічним показникам на першому місці знаходяться всі інженерні заходи, що зменшують виділення шкідливих речовин в атмосферу. Навіть якщо ці заходи пов'язані зі значними капітальними та експлуатаційними витратами, вони можуть виявитися вигідніше, якщо врахувати збиток, що наноситься шкідливими речовинами в атмосфері промисловим підприємствам: прискорення зносу технологічного устаткування і конструкцій будівель, корозія металів і додаткові навантаження в результаті випадіння твердих частинок на перекриття, в повітроводах і на поверхні обладнання, організація, благоустрій та експлуатація санітарно-захисних зон, площа яких можна зменшити, скорочуючи викиди шкідливих речовин.
Збиток, нанесений персоналу підприємств і населення, не зайнятого на даному виробництві, виражається в погіршенні умов праці, збільшення захворюваності і травматизму, збільшення витрат на медичне обслуговування населення та виплати по соціальному страхуванню.
Погіршується також стан навколишнього середовища, що викликає деградацію лісового господарства і сільськогосподарських угідь, прискорюється знос житлового фонду і комунального господарства, забруднюються водойми, погіршується робота дорожнього господарства, транспортних засобів і засобів зв'язку та ін
В даний час ведуться дослідження всіх зазначених видів збитку і розробляються укрупнені показники залежності збитку від викиду шкідливих речовин, прийнятих інженерних рішень для захисту атмосфери, характерних метеорологічних умов для даної місцевості та інших факторів.
Раціональний вибір місця для промислового вузла та житлового району, ширини захисної зони, їх планування не вимагаючи порівняно великих витрат може значною мірою сприяти найкращому провітрювання цих територій, скорочення погано провітрюваних зон аеродинамічної тіні і запобігання переносу шкідливих речовин з промвузла в житловий район . Для вибору оптимального місця для промвузла і житлового району та їх планування необхідні дані про метеорологічні умови в місцевості, де передбачається будівництво, за можливо більш тривалий термін. У багатьох випадках, особливо в нових районах Сибіру, Далекого Сходу, Середньої Азії, таких даних недостатньо. Тому доцільно починати їх збір ще до розробки першого стадій проекту промислового вузла. Витрати на експедиції для проведення вимірювань цілком окупаються прийняттям обгрунтованого рішення.
знаходження оптимального рішення планування промислового вузла і житлових районів багато в чому може сприяти моделювання розповсюдження шкідливих речовин.Фізичне моделювання, широко застосовується для вирішення питань водопостачання і забезпечення чистоти річок, на жаль, не використовується при проектуванні охорони атмосферного повітря. Проведення досліджень в спеціальних аеродинамічних трубах дозволило б уникнути багатьох невдалих планувань промислових вузлів і населених пунктів.
Створення лабораторій, оснащених аеродинамічній трубою і комплектом необхідних приладів, якими могли б користуватися всі проектні інститути та діючі підприємства, які проводять реконструкцію з метою поліпшення стану атмосфери на промвузла і в житловому районі могли б сприяти успішному вирішенню поставленого завдання.
Особливо потрібно зупинитися на доцільності застосування високих труб для викиду забрудненого повітря у верхні шари атмосфери. Незважаючи на уявну технічну доступність, дешевизну і надійність досягнення малих концентрацій шкідливих. речовин в приземному шарі атмосфери, при будівництві високих труб потрібно враховувати, що збільшується район забруднення, хоча і з меншими концентраціями. При будівництві (проектуванні) високих труб необхідно враховувати фон, який може бути створений викидами з високих труб сусідніх промислових вузлів. Високі труби доводиться встановлювати у випадках, для яких в даний час немає достатньо ефективних способів очищення. Але необхідно, щоб уникнути глобального забруднення атмосфери передбачати у проектах місце і можливість надалі пристрої очисних споруд, розглядаючи викид через високі труби як тимчасове пристрій. Під час встановлення високих труб рекомендується централізувати викиди і замість кількох труб будувати одну-дві труби. Це дає зменшення сумарної вартості труб і забезпечує менші концентрації шкідливих речовин в приземному шарі атмосфери при тому ж діаметрі і висоті труб.
Таким чином, в даний час є інженерні рішення, раціональне застосування яких дає можливість забезпечити чистоту приземного шару повітря на хімічних і нафтохімічних підприємствах і в прилеглих до них населених пунктах з мінімальними капітальними та експлуатаційними витратами.
