HÌNH THÀNH SAU VỤ NỔ THIẾT BỊ CHỨA LPG
Cơ sở lý thuyết cháy
Trường hợp tổng quát, phản ứng cháy hợp chất hữu cơ được trình bày ở phương trình 3.6 [126]:
(3.6)
Năng lượng tỏa ra của phản ứng cháy được xác định bằng định luật Hess và định luật Gibbs trong nhiệt động hóa học.
Cơ sở truyền nhiệt
Lượng nhiệt truyền từ vùng cháy ra vùng nhiệt tác động thơng qua 3 q trình: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt. Do khói có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, nên phương thức truyền nhiêt từ vùng cháy ra mơi trường khơng khí chỉ gồm 2 q trình: đối lưu và bức xạ nhiệt [91].
• Nhiệt lượng trao đổi do đối lưu: lượng nhiệt do đối lưu tỏa ra từ nơi có nhiệt độ cao tới mơi trường xung quanh xác định theo công thức 3.7:
Qđl= αđl ×(Tvc−Tmt)×F[W] (3.7)
• Lượng nhiệt trao đổi do bức xạ: lượng nhiệt do bức xạ của ngọn lửa truyền ra môi trường xung quanh theo mọi phía trong phạm vi khơng gian hình bán cầu (
Q
bx) được tính theo cơng thức 3.8:
Qbx= ì ìTvc4 ìF[W] (3.8)
ã Tng lng nhit truyn t đám cháy ra môi trường:
Cơ sở lý thuyết về mơ hình hóa mơi trường
Đặc điểm của qủa cầu lửa hình thành sau vụ nổ thiết bị chứa LPG là nó được tạo thành tức thời ngay sau vụ nổ và phát tán một cách gián đọan trong không gian và thời gian với đặc thù riêng, khác với quá trình phát tán chất ơ nhiễm trong khơng khí tạo bởi nguồn thải liên tục, phát tán dạng làn khói. Vì vậy, khơng thể áp dụng các mơ hình hiện có (mơ hình Gauss, mơ hình ISC3, mơ hình Berliand, mơ hình Sutton ...[28], [40], [64], [75], [93], [133]) vào việc tính phát tán qủa cầu lửa tạo ra sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG mà cần phải khảo sát và ứng dụng mơ hình thích hợp với đặc điểm của nó. Sau đây là mơ hình tốn mà luận án khảo sát áp dụng [116]:
Phương trình vi phân [116]
Gỉa sử nguồn tức thời phát thải một lượng vật chất cố định Qm(kg) và phát triển trong
khí quyển, khơng có phản ứng hóa học xảy ra và khơng có chất ơ nhiễm khác thêm vào trong quá trình vật chất lan truyền. Nồng độ C của vật chất phát tán trong không gian được xác định bởi phương trình vi phân:
(3.10)
Ở đây,ujlà tốc độ của gió; chỉ số j là tổng hợp của hệ trục tọa độx, yvàz.
Nếu xác định được chính xác tốc độ gió, kể cả sự ảnh hưởng của chuyển động hỗn loạn, phương trình 3.10 có thể dự báo chính xác nồng độ vật chất phát tán trong không gian. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có mơ hình nào mơ tả được đầy đủ bản chất của sự chuyển động hỗn loạn đó nên ta phải dùng kết quả gần đúng. Lấy vận tốc trung bình và xấp xỉ của những kết quả gần đúng đó, ta có:
uj=?uj?+uj(3.11)
Trong đó: ?uj? là tốc độ gió trung bình;ujlà dao động ngẫu nhiên do chuyển động hỗn loạn của gió.
Nồng độCcũng thay đổi theo trường vận tốc:
C= ?C? +C'(3.12)
Trong đó: ?C?là nồng độ trung bình;C’là dao động ngẫu nhiên do chuyển động hỗn loạn của gió.
?u'j? = 0
?C' ? = 0 (3.13)
Thay phương trình 3.11, 3.12 và 3.13 vào phương trình 3.10 và lấy kết quả trung bình theo trường thời gian ta được:
(3.14)
• Các số hạng ?uj?C'và u'j?C? bằng 0 khi lấy trung bình;
• Hệ số thơng lượng rối ?u'jC' ? khác 0 và được biểu diễn thông qua hệ số khuếch tán rối Kj(m2/s) bằng phương trình 3.15:
(3.15)
Thế phương trình 3.15 vào phương trình 3.14 được:
(3.16)
Nếu coi khí quyển là mơi trường khơng nén được thì :
(3.17)
Khi đó phương trình 3.16 trở thành:
(3.18)
Nghiệm của phương trình 3.18 cùng với các điều kiện đơn trị (điều kiện ban đầu và điều kiện biên) phù hợp là cơ sở cho các mơ hình phát tán.
Hệ toạ độ dùng cho mơ hình phát tán là hệ toạ độ vng góc, trục x là trục hướng gió thổi từ điểm phát thải và có thể xoay quanh theo nhiều hướng gió khác nhau, trục y là trục vng góc với trục x theo phương ngang, trục z là trục phía trên điểm thải. Điểm gốc toạ độ (x,y,z)=0, 0, 0 là điểm phát thải tại thời điểm t=0 (s)
Hình ảnh phát thải chất ơ nhiễm trong mơ hình nguồn gián đoạn với hệ toạ độ di động
Bài toán, điều kiện đơn trị và nghiệm của bài toán
1. Bài toán 1: Xét bài toán phát thải một lượng vật chất Q(kg) gián đoạn, tức thời.
Vận tốc gió = 0. Hệ số khuyếch tán rối theo các hướng là hằng số và như nhau (
Kj=K). Phương trình 3.18 được biến đổi như sau:
(3.19)
Điều kiện ban đầu: ?C?(x,y,z,t)= 0ở thời điểm t=0 (3.20)
Nghiệm của bài tốn biên với phương trình vi phân 3.19 và các điều kiện biên và điều kiện ban đầu trong hệ tọa độ vng góc là [15], [75], [116]:
(3.21)
1. Bài toán 2: Dữ liệu như bài toán 1, nhưng hệ số khuyếch tán rối theo các hướng là khác nhau. Phương trình vi phân:
(3.22)
Nghiệm của phương trình 3.22 với các điều kiện đã cho trong hệ tọa độ vng góc là:
(3.23)
1. Bài tốn 3: Như bài tốn 2 nhưng gió thổi theo hướng x với vận tốc không đổi ( ?uj? = ?ux? =u= const). Phương trình vi phân giống phương trình 3.22.
Cho hệ toạ độ di chuyển theo hướng x một khoảngΔx=x−ut, phương trình có nghiệm
là:
Các cơng thức tính nồng độ phát tán trên đây khá phức tạp, phụ thuộc vào hệ số các khuyếch tán rối Kj. Các hệ số này lại là hàm số phụ thuộc vào vị trí, thời gian, tốc độ gió, điều kiện thời tiết…Để thuận tiện trong tính tốn, Sutton đề xuất khái niệm hệ số phát thải theo phương dọc, phương ngang và phương đứng σx, σy, σz(m) [40], [150]: σx2= 12 ?C?2?ut?2 −n(3.25)
Phương trình xác địnhσyvà σzđược lập tương tự.
Hệ số phát thải chất ô nhiễm phát thải dạng đám mây theo các phương phụ thuộc vào điều kiện khí tượng, điều kiện địa hình, độ ổn định của khí quyển ở thời điểm tính tốn của khu vực sự cố và khoảng cách từ nguồn theo hướng gió.
Bảng 3.1 giới thiệu cách phân cấp ổn định của khí quyển của Pasqill - Giffordtheo 3 cấp: không ổn định (cấp A, B), trung tính (cấp C, D), ổn định (cấp E, F) trên cơ sở 6 mức ổn định của khí quyển [116].
Độ ổn định của khí quyển phân loại theo Pasqill - Gifford [114] Tốc độ gió
Bức xạ ban ngày Độ che phủ ban đêm
Mạnh Trung bình Yếu Nhiều mây Ít mây
<2 A A-B B - -
2-3 A-B B C E F
3-5 B B-C C D E
5-6 C C-D D D D
> 6 C D D D D
Ghi chú: A: rất khơng ổn định; B: khơng ổn định loại trung bình; C: khơng ổn định loại yếu; D: trung hòa; E: ổn định yếu; F: ổn định loại trung bình.
Có thể xác định các hệ sốσx,σy,σzbằng giải tích hoặc đồ thị. Đồ thị xác định hệ số phát
thải theo các phương được cho trong hình 3.5 và 3.6 [116].
Sử dụng kết quả của quá trình chuyển đổi từ hệ số khuyếch tán rối Kj sang hệ số phát thải σj với hệ toạ độ cố định tại điểm phát thải, ta có:
Đồ thị xác định hệ số khuếch tán theo phương ngang và phương dọc theo chiều gió
Đồ thị xác định hệ số khuyếch tán theo phương đứng
1. Bài toán 4: Sử dụng kết quả của mơ hình 3.26 với nguồn phát thải có độ cao Hr và hệ toạ độ di chuyển cùng với đám mây ta có cơng thức tính nồng độ
C(x,y,z,t) (kg/m3) theo hướng gió của đám mây hơi LPG trong không gian và thời gian t (s):
(3.27) Khoảng cách x (m) mà đám mây hơi di chuyển sau khoảng thời gian t (s) ở cùng tốc độ với tốc độ gió u (m/s) là:
x=u.t (3.28)
Hình 3.7 mơ tả qúa trình phát tán đám mây hơi LPG hình thành sau vụ nổ thiết bị chứa môi chất tồn trữ ở nhiệt độ trên điểm sơi bình thường của nó [116].
Sự cố nổ thiết bị tạo đám mây hơi phát thải gián đoạn
• .Ứng dụng: Luận án khảo sát và đề xuất ứng dụng nghiệm của bài tốn biên trên đây để dự báo q trình di chuyển của quả cầu lửa hình thành sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG. Khảo sát quá trình di chuyển của đám mây hơi nước ta thấy tại thời điểm hình thành quả cầu lửa ở thời điểm to=0, đám mây này di chuyển cùng tốc độ với tốc độ gió tại thời điểm và nơi khảo sát. Trên cơ sở đó vận dụng vào nghiên cứu qúa trình phát tán của quả cầu lửa sau khi hình thành, bốc lên cao và di chuyển ổn định trong khí quyển với tốc độ bằng tốc độ gió tại nơi và thời điểm xảy ra sự cố.
Cơ sở độc học mơi trường
Tác động do khói sinh ra từ vụ cháy sau vụ nổ thiết bị chứa LPG tới con người và môi trường được đánh giá trên cơ sở độc học của từng chất ô nhiễm trong khói là CO2, CO, NOx. Khi cháy LPG trong điều kiện đủ khơng khí sẽ sinh ra CO2, làm giảm lượng oxy và hạn chế tầm nhìn.
Hình ảnh vụ cháy LPG tỏa khói gây ơ nhiễm mơi trường. Vụ chay LPG tại Pasadena, USA, 1989. Nguồn: Internet
• CO2là khí khơng màu, khơng mùi, tồn tại trong khơng khí trong khoảng nồng độ từ 0,03% đến 0,06%. CO2 trong khơng khí tăng cao dẫn tới tăng cường độ hơ hấp, kích thích não, có thể dẫn tới hơn mê và gây tử vong. CO2 cũng làm tăng dự trữ kiềm và giảm pH trong máu. CO2 ở nồng độ thấp kích thích trung tâm hơ hấp, làm tăng nhịp hô hấp. Các tác động của CO2lên cơ thể người sẽ gây nguy hại khi nồng độ lớn hơn 3%. Nếu nồng độ CO2trong khơng khí 5% sẽ gây thở gấp và đau đầu. Người tiếp xúc với khơng khí có nồng độ CO2tới 10% có thể bị bất tỉnh và chết do thiếu ơxy. Lượng khói chiếm 15% thể tích khơng khí, sẽ gây khó khăn cho việc thốt hiểm của nguời. Sau khi đã được hấp thụ vào trong máu, CO2sẽ tác động nhanh chóng lên não, làm tăng nhịp thở, được máu đem đến phổi và được thải ra theo hơi thở theo phản ứng 3.12 [136] CO2 + O2Hb → CO2Hb + O2 (3.29)
Hb: Hemoglobin. Ảnh hưởng của CO2đối với nguời được nêu ở bảng 3.2
Bảng 3. 2 : Hàm lượng CO 2 trong khơng khí và các hậu quả [136]
Nồng độ CO 2 trong khơng khí (%) Ảnh hưởng tới con người
0,3 – 0,6 Khơng thể làm việc
3 – 6 Có thể nguy hiểm đến tính mạng
8 - 10 Nhức đầu, rối loạn thị giác, ngạt thở
10 - 30 Ngạt thở ngay, tim đập yếu
35 Chết người
• Trường hợp LPG cháy khơng hết sẽ sinh ra CO. Tác hại của CO đối với người là ngăn cản Hemoglobin (Hb) vận chuyển O2lên não theo phản ứng [136]: O2Hb + CO → COHb + O2(3.30)
CO có thể gây nhiễm độc cấp tính (làm cho nguời bị buồn nơn, nhức đầu, mệt mỏi) hoặc mãn tính (con nguời có triệu chứng nhức đầu, chóng mặt, suy nhược, khó thở). Khi cơ thể bị nhiễm CO, nó sẽ tác dụng trên hệ thống thần kinh và dẫn tới các rối loạn trương lực cơ và các rối loạn tim mạch nghiêm trọng [136]
• NOxsinh ra khi cháy LPG kết hợp với Hb tạo thành Methemoglobin làm cho Hb không vận chuyển được O2để hô hấp cho cơ thể, gây ngạt; tác dụng với hơi ẩm trong các vùng trên và dưới của bộ máy hô hấp, tác hại trên bề mặt phổi và gây ra các tổn thương ở phổi.
Khi nhiễm độc NOxcon người sẽ bị kích thích mắt, rối loạn tiêu hố, viêm phế quản, có thể gây tử vong [136].
Phương trình đánh giá định lượng chất ơ nhiễm đi vào cơ thể mỗi ngày được xác định bằng phương trình 3.31 [95]:
(3.31) Trong đó :
• CDI: Lượng chất nguy hại vào cơ thể hàng ngày (mg/kg.ngày); • C: Nồng độ chất nguy hại trong mơi trường (mg/lít)
• IR: Tốc độ hơ hấp (m3/h)
• RR: Tỷ lệ khơng khí được lưu giữ trong cơ thể khi hơ hấp (%) • ABS: Phần trăm lượng chất nguy hại được hấp thụ vào phổi (%) • ET: Thời gian phơi nhiễm (giờ/ngày)
• EF: Tần số phơi nhiễm (ngày/năm) • ED: Thời gian phơi nhiễm (năm)
• BW: Trọng lượng trung bình của đối tượng bị phơi nhiễm (kg) • AT: Thời gian phơi nhiễm trung bình (ngày)