ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

КазККА Хабаршысы № 4 (59), 2009
ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
УДК 574. 4:517.9+517(574)
Айдосов Аллаярбек Айдосович - д.т.н., профессор (Алматы, КазАТК)
Айдосов Галым Аллаярбекович - д.т.н., доцент (Алматы, КазтрансгазАймат)
Ажиева Галия Ибуллаевна, к.т.н. - ассоц. профессор (Алматы, КазГАСА)
Заурбеков Нургали Сабирович - к.т.н., зав. кафедрой (Алматы, КазЭУ)
МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО
ПРИ ИСПАРЕНИИ НЕФТИ В МЕСТАХ АВАРИЙ
ВОЗДУХА
К основным источникам загрязнения приземного слоя атмосферы
при
трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов следует отнести испарение нефти и
нефтепродуктов при хранении в резервуарах, а также при сливно-наливных операциях.
Не менее сильным источником загрязнения воздуха являются пожары при возгорании и
сжигании транспортируемых продуктов. Основными загрязнителями атмосферы являются
продукты испарения нефти и нефтепродуктов: аммиак, этилен, ацетилен, а также
продукты сгорания перекачиваемых углеводородных смесей. Все эти загрязнения
относятся к локальным и временным, так как они рассеиваются под воздействием
воздушных потоков [ 1].
В результате сливно-наливных операций, и суточных колебаний температуры
происходит достаточно интенсивное испарение продуктов в приземный слой атмосферы.
Испарение нефтепродуктов может протекать при различных температурах и давлениях.
Бензины в открытом резервуаре быстро испаряются даже при очень низких температурах.
I Скорость испарения зависит от давления, температуры, площади испарения, скорости
движения воздуха и ряда других причин. Испарение нефти и нефтепродуктов из открытых
поверхностей происходит достаточно легко при любой температуре. При этом
выделяются низкомолекулярные углеводороды с примесями.
Представим себе в объеме низкомолекулярных углеводородов воображаемую
единичную площадку. Так как низкомолекулярные углеводороды находятся в равновесии,
движутся беспорядочно. Поэтому через эту площадку будет пролетать в обоих
направлениях в среднем одинаковое количество молекул, пролетающих в единицу
времени в каждом из направлений.
Допустим, что молекулы низкомолекулярных углеводородов движутся только вдоль
трех взаимно перпендикулярных направлений. Если в выделенном объеме содержится N
молекул, то в любой момент времени вдоль каждого из направлений будет двигаться N/3
молекул, причем половина из них (т.е. N/6 молекул) движется в одну сторону, половина в
противоположную сторону. Следовательно, в интересующем направлении, по нормали к
площадке AS движется 1/6 часть всех молекул [2].
Предположим, что все молекулы движутся со средней скоростью {V}, равной
скорости испарения в момент времени At. Тогда за время At до площадки S долетят все
движущиеся по направлению к нему молекулы, заключенные в объеме цилиндра с
основанием AS и высотой {V}At. Число этих молекул равно:
v = n/6 AS (V}At,
(1)
где v - число молекул, пролетающих через площадку AS за время At\ п - число
молекул низкомолекулярных углеводородов в единице объема, м3; AS - основание
273
К^азККА Хабаршысы № 4 (59), 2009
2
цилиндра, через которое пролетают молекулы низкомолекулярных углеводородов, м ; (V)
- средняя скорость движения всех низкомолекулярных углеводородов, м/с. Скорость
молекул низкомолекулярных углеводородов в потоке предполагалась одинаковой. Если
отказаться от допущения об одинаковости скоростей молекул, то следует выделить из
числа молекул в единице объема, т.е. dnv молекул, скорости которых лежат в интервале от
V до V+dV. Количество молекул, имеющих такие скорости и долетающих до площадки S
за время At равно:
dNv = 1/6 dn.v ASVAt.
(2)
Полное число молекул в направлении AS получим. Проинтегрировав выражение (2)
по скоростям:
Av - dNvASAt Vdnv.
(3)
Выражение 1/п Vdnv представляет собой среднее значение величины скорости {V}.
Заменив в (3) интеграл скорости произведением n {V , получим для числа молекул
выражение
Av = 1/6 ASAtn {V},
(4)
где A v - число молекул, низкомолекулярных углеводородов,оказавшихся в
цилиндре соснованием S и высотой VAt; At - время в течение, которого пролетают
молекулы, с.
Интенсивность выделения низкомолекулярных углеводородов из источника
представляет собой массу газа, вылетевшего из единицы площади в единицу времени.
Следовательно, если формулу (4) умножим на массу низкомолекулярных углеводородов, а
также разделим на площадку AS и на время At, то получим выражение для интенсивности
выделения низкомолекулярных углеводородов из источника загрязнения окружающей
среды:
J = l / 6m n,
( 5)
где J - интенсивность выделения низкомолекулярных углеводородов, мг/м2с; т масса молекул низкомолекулярных углеводородов, кг.
Произведение массы молекул низкомолекулярных углеводородов на их число дает
загазованность окружающей среды, т.е.:
m*n = N 3,
(6)
где N 3 - загазованность, кг/м .
Интенсивность выделения низкомолекулярных углеводородов с учетом формулы (6)
будет иметь вид:
J = I/6N3
(7 )
В реальных условиях вместе с низкомолекулярными углеводородами выделяются и
другие молекулы нефти и нефтепродуктов. Однако вид формулы (7) не изменится, так как
в ней содержатся величины определяемые экспериментально. Поэтому выражение (7)
справедливо для определения интенсивности выделения газообразных веществ из
источника загрязнения окружающей среды. Кроме того, вид формулы (7) останется с
изменением температуры и давления насыщенных паров нефти и нефтепродуктов.
274
^азККА Хабаршысы № 4 (59), 2009
Величина, определяемая формулой (7) соответствует мгновенному значению
интенсивности выделения газообразных веществ, так как выделение будет до тех пор,
пока не выровняется давление насыщенных паров нефти с атмосферным давлением. Это
состояние практически наступает очень быстро и характеризуется скоростью дыхания.
Выделение газообразных веществ из источника загрязнения до достижения насыщения
незначительно, им можно пренебречь.
Таким образом, выделение газообразных веществ из нефти и нефтепродуктов,
находящихся в емкостях и резервуарах, происходит циклически. При этом интенсивность
выделения определяется по формуле (7) для соответствующего значения давления и
температуры, а также загазованности и скорости дыхания [3,4].
На скорость дыхания накладывается скорость воздушного потока. В результате этого
газообразные вещества распространяются в окружающей среде с результирующей
скоростью Vp.
Так, с учетом формулы (7) интенсивность распространения определяется
выражением:
Jp = I/6N3,
(8)
где Jp - интенсивность распространения газообразных веществ в атмосфере, мг/м2с.
Таким образом, интенсивность выделения и интенсивность распространения
газообразных веществ в атмосфере по существу разные величины, несмотря на то, что они
определяются
по
одинаковым
по
форме
выражениям.
Для
интенсивности
распространения газообразных веществ существенную роль играют атмосферные явления
и скорость воздушного потока.
Интенсивность распространения газообразных веществ в атмосферном воздухе
изменяется с удалением от источника.
Для выяснения характера изменения, интенсивности распространения газообразных
веществ в атмосфере рассмотрим поток загазованного воздуха. В результате воздействия
различных атмосферных явлений на расстоянии г от источника до расстояния r+dr
интенсивность распространения уменьшается на величину dJ. Влияние атмосферных
явлений на процесс распространения газообразных веществ в окружающей среде
необходимо учитывать эмпирическим коэффициентом К. Поэтому нет необходимости
установления механизма воздействия атмосферных явлений на процесс распространения в
нем газообразных веществ. Тогда интенсивность распространения газообразных веществ
будет описываться дифференциальным уравнением:
dJ = -JKdr,
(9)
где d./ - изменение интенсивности на расстоянии
dr , мг/м с;
J - начальная
интенсивность на расстоянии r+dr ,мг/м2с; dr - расстояние, на котором интенсивность
изменяется на dJ, ж, К - эмпирический коэффициент, м '1. Знак минус показывает на то, что
с увеличением расстояния от источника загрязнения интенсивность распространения
уменьшается, т.е. с возрастанием г интенсивность убывает.
Интенсивность распространения газообразных веществ у самого источника
равняется интенсивности выделения Jb. Найдем интенсивность распространения на
расстоянии г от источника. Для этого проинтегрируем выражение (9), предварительно
разделив переменные и в результате интегрирования получим, что:
Jp = JbeKr,
275
(10)
1^азККА Хабаршысы № 4 (59), 2009
где Jp - интенсивность выделения газообразных веществ из источника (в частности,
из резервуара), мг/м2 с.
Выражение
(10)
показывает
изменение
интенсивности
распространения
газообразных веществ от источника до места отбора проб на загазованность. Как видно из
выражения интенсивность распространения газообразных веществ от источника убывает
по экспоненциальной зависимости. Радиус кривизны
экспоненты зависит от
коэффициента К, который определяется экспериментально.
Одним из основных характеристик резервуаров нефти и нефтепродуктов является
давление насыщенных паров. При выбросе вредных газообразных веществ из резервуара
давление в нем падает до атмосферного значения. Это соответствует одному циклу
дыхания со средней скоростью [5,6].
Падение давления при испарении соответствует потере энергии с единицы объема.
Следовательно, можно записать, что падение давления в резервуаре определяется
следующим соотношением:
AP = PH- P a = N 3 {V2}/2,
(И)
где Рн - давление насыщенных паров нефти и нефтепродуктов, Н/м ; Ра атмосферное давление окружающей среды, Н/м2; N 3 - загазованность окружающей среды,
кг/м3; {V}- средняя скорость выброса газа, м/с.
Выражение (11) можно представить через интенсивность выделения газа из
источника:
АР = 3Jb {V},
(12)
Откуда интенсивность газовыделеиия через падение давления будет:
Jb = AP/3{V}.
(13)
Интенсивность распространения газа с учетом формулы (13), можно представить в
следующем виде:
Ji> = (ДР/З {V })е'Кг,
(14)
где АР - разность давления, Н/м2; г - расстояние от источника до места отбора проб
на загазованность, м.
Коэффициент К определяется по эмпирической формуле Константинова. Скорость
{Vp} определяется экспериментально с использованием анемометров. Давление
насыщенных паров нефти и нефтепродуктов также определяется экспериментально.
Таким образом, формула (14) позволяет определить интенсивность распространения
газообразных веществ в атмосфере.
Добыча
нефти
включает
следующие
операции:
сбор,
подготовка
и
транспортирование. При этих процессах происходит потеря нефти, обусловленная
испарением и разными утечками. Величина этих потерь зависит от физико-химических
свойств нефти и особенностей сбора, подготовки и транспортирования ее до потребителя.
В результате этих потерь загрязняется окружающая среда.
До сих пор недостаточно обоснованно устанавливается зона загрязнения атмосферы
газообразными выбросами нефти и нефтепродуктов. Загрязнение окружающей среды
зависит от интенсивности распространения газообразных веществ в атмосфере [7-8].
Решение дифференциального уравнения (9) относительно расстояния г позволяет
получить уравнение:
In Jp —In Jb —-Кг
(15)
276
К^азККА Хабаршыеы № 4 (59), 2009
Преобразование (15) относительно г приводит к следующей формуле:
j
г = 1/К In Jb/Jp.
(16)
Если пользоваться формулами интенсивности газовыделения и распространения, то
получим для радиуса зоны загрязнения выражение:
r3 = l / K l n N 3{Vb}/NnWc{Vp},
(17)
где г3 - радиус зоны загрязнения, м; N 3 - загазованность атмосферы предприятия,
м/м3;
№лдк - предельно допустимая концентрация газообразных вредных веществ
нефти и нефтепродуктов, кг/м3 ; Ve - скорость выброса вредных веществ из резервуара,
м/с.
Радиус зоны загрязнения можно выразить через разность давлений по следующей
формуле:
г = 1 / К 1 п Д Р / { У ь } / Н п д к { У р}.
(18)
Все величины, входящие в формулы (16) и (17) определяются экспериментально с
достаточно большой точностью.
Выводы
Модельная оценка загрязнения атмосферного воздуха при испарении нефти в местах
аварий дает возможность сделать следующие выводы:
получено
математическое
выражение
для
интенсивности
выделения
низкомолекулярных углеводородов из источника загрязнения окружающей среды;
- выявлено, что выделение газообразных веществ из нефти и нефтепродуктов,
находящихся в емкостях и резервуарах, происходит циклически;
- определена интенсивность распространения газообразных веществ в атмосфере.
- определен радиус зоны загрязнения, который позволяет обосновать санитарно­
защитные зоны в районе добычи, транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1 Айдосов А.А, Айдосов Г.А. Теоретические основы прогнозирования природных
процессов и экологической обстановки окружающей среды. Книга 1, Теоретические основы
прогнозирования атмосферных процессов и экологической обстановки окружающей среды. Алматы, Казак университет!, 2000, 290 с.
2 Айдосов Г.А Аварии при транспортировке нефти и газа и их причины //Алматы,
Новости науки Казахстана, 2005, вып. 3, с. 95-100.
3 Айдосов А.А., Айдосов Г.А. Исследование источников загрязняющих веществ и
максимальных выбросов углеводорода в атмосферу и расчет потерь при транспортировке и
хранении нефтепродуктов //Алматы, Нефть и газ, 2005, №4, с .109-114.
4 Айдосов А.А., Айдосов Г.А., Дюсенова Ж.А., Кожаметов С.Н. Исследование состояния
воздушного бассейна с учетом взаимодействия природно-климатических условий и
техногенных факторов /C6.VII Межд. научно-практ. конф. «Актуальные проблемы
безопасности жизнедеятельности», Алматы, КазРГГУ, 2005,. ч.Н, 2005, с. 283-289.
277
Ь^азККА Хабаршысы № 4 (59), 2009
5 Айдосов А.А., Айдосов Г.А. Исследование источников загрязняющих веществ и
максимальных выбросов углеводородов в атмосферу // Алматы, Нефть и Газ, 2005, № 4, с. 109113.
6 Айдосов Г.А. Методика проведения модельных экспериментальных исследований
интенсивности газовыделения при транспортировке и хранении нефтепродуктов //Алматы,
Нефть и Газ, 2005, № 6, с. 35-39.
7 Айдосов Г.А. Воздействие магистрального трубопровода на атмосферу //Алматы,
Промышленность Казахстана, 2005, № 4 (31), с. 18-20.
7. Айдосов Г.А. Моделирование распространения вредных веществ в атмосфере при
аварийных выбросах для прогноза экологической обстановки при добыче, хранении и
транспортировке нефти и газа //Алматы, Вестник КазНТУ, 2007, №1(57), с. 47-51.
УДК 620.193.15
Алмагамбетова Сауле Толегеновна - к.т.н., доцент (Алматы, КазАТК)
Бегалиева Джибек Урашовна - к.х.н., профессор (Алматы, КазАТК)
АНТИКОРРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ
СИЛИКОПОЛИФОСФАТАМИ НАТРИЯ
Для Казахстана, как и в целом для стран СНГ, весьма актуальна проблема коррозии
стальных металлоконструкций и оборудования, которая обусловлена не только старением
основного металлофонда, физическим и моральным износом, но и отсутствием
производства собственных средств защиты металлов.
Особенно остро стоит вопрос внутренней коррозии стальных магистральных
водопроводов систем тепловодоснабжения, поскольку, несмотря на нормативные
документы, практически все действующие трубопроводы изготовлены из нелегированной
стали без внутренних защитных покрытий.
Трубопроводы относятся к числу морально не стареющих конструкций, срок службы
которых определяется лишь сохранностью уложенного в землю металла. Одним из
наиболее экономичных и технологичных методов борьбы с внутренней коррозией
стальных водоводов, особенно действующих, является антикоррозионная обработка воды
специальными реагентами - ингибиторами, которые в настоящее время отечественной
промышленностью не выпускаются и в большинстве случаев импортируются из стран
ближнего и дальнего зарубежья. При этом, только нефтяная отрасль республики ежегодно
расходует тысячи тонн ингибиторов типа «Калнокс», «Nalco», KW и других, основу
которых составляют водорастворимые полимерные фосфаты, в основном натрия / 1/.
Однако, при концентрациях разрешенных санитарно-гигиеническими нормативами к
применению в системах коммунально-бытового водоснабжения, полифосфаты натрия
имеют низкую эффективность и способны вызвать локальную коррозию металла. Помимо
полифосфатов в питьевом и техническом водоснабжении разрешено использовать для
антикоррозионной обработки воды водорастворимые силикаты, а также их композиции с
полифосфатом натрия. Однако силикатизация воды требует тщательного контроля pH
среды, к тому же в водах с повышенным солесодержанием возможна коагуляция
силикатов, что ведет к снижению их рабочей концентрации, а, следовательно, и
эффективности ингибирующего действия. В связи с вышеизложенным, создание физико­
химических основ и технологических разработок по производству высокоэффективных
реагентов для антикоррозионной обработки воды систем тепловодоснабжения на базе
отечественного сырья является важной актуальной задачей.
278