Эволюция среды обитания, переход от биосферы к техносфере

Таким образом, в зависимости от термодинамического состояния жидкости, находящейся  в сосуде, возможны три пути протекания процесса при  его разгерметизации:

• при больших энергиях перегрева жидкости или сжатых газов (паров) жидкость может полностью переходить во взвешенное мелкодисперсное и парообразное состояние с образованием взрывоопасных смесей;
• при низких энергетических параметрах жидкости происходит спокойный ее пролив на твердую поверхность, а испарение осуществляется путем теплоотдачи от твердой поверхности;
• промежуточный режим, когда в начальный момент происходит резкое вскипание жидкости с образованием мелкодисперсной фракции, а затем наступает режим свободного испарения с относительно низкими скоростями.

Для определения размеров зон воздействия  необходимо вначале спрогнозировать, какое количество жидкости или газа поступает в окружающую среду  при том или ином виде аварии. Приближенно количество мгновенно испарившейся жидкости

,

где m – доля мгновенно испарившейся жидкости в адиабатическом приближении при температуре Т;

Н_Т – удельная энтальпия жидкости при температуре Т;

Н_х – удельная энтальпия жидкости в точке кипения при атмосферном давлении;

r_x – удельная скрытая теплота парообразования в точке кипения при атмосферном давлении.

На втором этапе  расчета необходимо с учетом рельефа  местности, климатических условий, планировки площадки рассчитать процессы растекания и испарения жидкости, а также рассеивание паров пролитой жидкости. Результатом такого расчета должны быть нанесенные на ситуационный план поля концентраций паров пролитой жидкости. На плане местности отмечают также динамику процесса рассеивания паров, прогнозируют изменение концентрации в различных точках местности по времени. Расчет рассеивания газообразных веществ в атмосфере см. ОНД-86 и ОНД-90.

При проливах СДЯВ внешние границы заражения определяют по ингаляционной токсодозе. В качестве ее используют среднюю смертельную дозу L₅₀; среднюю поражающую, вызывающую поражения ниже легкой степени у 50 % пораженных Е₅₀; среднюю выводящую из строя I₅₀; среднюю пороговую Р₅₀.

Для характеристики воздействия на людей принимают  дозу D, вычисляемую для определенной точки,

,

где  С(t) – концентрация СДЯВ в воздухе, соответствующая моменту времени (t);

t – время пребывания в данной точке.

В качестве критерия поражающего действия дозы, превышение которой определяет участки территории, соответствующие зоне заражения, используют токсидозу, характеризующую степень токсичности яда. Токсидоза различной степени тяжести поражения (L₅₀, I₅₀, E₅₀, P₅₀) при фиксированном времени экспозиции для каждого СДЯВ является постоянной величиной.

Решение задачи турбулентной диффузии СДЯВ для наземных источников может быть представлено в виде:

,

где D – токсодоза СДЯВ;

x, y – расстояние по осям X и Y;

Q – количество вещества, перешедшее в первичное или вторичное облако;

u – скорость ветра;

l - константа, зависящая от вертикальной устойчивости атмосферы;

y - параметр, определяемый соотношением u и x.

При заданном значении D это соотношение можно рассматривать как уравнение для определения совокупности точек (X, Y), образующих изолинию равных значений токсидозы. При прогнозировании размеров зоны заражения СДЯВ по токсидозе можно использовать методику РД 52.04.253-90, основанную на вышеприведенном уравнении.

Оценка зон  воздействия взрывных процессов. Под  взрывом принято понимать широкий  круг явлений, связанных с выделением за очень короткий промежуток времени  большого количества энергии в ограниченном пространстве. Обычно взрывы связаны с превращениями вещества в результате химической реакции или в результате ядерных превращений. На практике чаще других встречаются следующие типы взрывов: свободный воздушный взрыв, наземный (приземный) взрыв, взрыв внутри помещения (внутренний взрыв), а также взрывы больших газообразных облаков в атмосфере.

К свободным воздушным  взрывам относят взрывы, происходящие на значительной высоте от поверхности  земли, при этом не происходит отражения. Избыточное давление на фронте и длительность фазы сжатия зависят от энергии взрыва (массы С заряда ВВ), высоты центра эпицентра. Параметры взрыва подчиняются законам подобия согласно следующим соотношениям:

,

,

где  С₁ и С₂ – массы первого и второго заряда;

R₁ и R₂ расстояние до рассматриваемых точек.

Предыдущее соотношение можно  записать в виде

,

где   - приведенное расстояние;

- тротиловый эквивалент.

Для воздушных взрывов на высоте Н из условия подобия имеем

,

где   - приведенная высота.

Давление Р_ф (МПа) для свободно распространяющейся сферической воздушной ударной волны

,

в котором вид взрывчатого вещества учитывается тротиловым эквивалентом.

Для ядерных взрывов величина С представляет тротиловый эквивалент по ударной волне. Если обозначить С_п – полный тротиловый эквивалент, то для свободно распространяющейся в атмосфере ударной волны воздушного взрыва С=0,5С_п, а для наземного и приземного взрывов С=2×0,5С_п.

Наземные и приземные взрывы. Если взрыв происходит на поверхности  Земли, то воздушная ударная волна  от взрыва усиливается за счет отражения. Параметры ударной волны рассчитывают по формулам воздушного взрыва, однако величину энергии взрыва удваивают; в случае конденсированных взрывчатых веществ избыточное давление можно рассчитать по соотношению:

,

где  Р₀ – атмосферное давление, МПа;

r – расстояние от центра взрыва;

С – мощность заряда;

h – свойства поверхности, на которой происходит взрыв.

Значения коэффициента h приведены в таблице.

 

 

 

Более сложные  процессы происходят при взрывах  в приземных слоях атмосферы. При этих взрывах образуются сферические  ударные волны, распространяющиеся в пространстве в виде областей сжатия – растяжения. Фронт воздушной ударной волны характеризуется скачком давления, температуры, плотности и скорости частиц воздуха. При достижении сферической ударной волны земной поверхности она отражается от нее, что приводит к формированию отраженной волны. На некотором расстоянии от эпицентра взрыва (проекции центра взрыва на земную поверхность) фронты прямой и отраженной ударных волн сливаются, образуя головную волну, имеющую фронт, нормальный к поверхности Земли и перемещающийся вдоль ее поверхности. Область пространства, где отсутствует наложение и слияние фронтов, называется зоной регулярного отражения, а область пространства, в которой распространяется головная волна, – зоной нерегулярного отражения.

С момента прихода фронта воздушной ударной волны в точку наземной поверхности давление резко повышается до максимального значения , а затем убывает до атмосферного Р₀ и ниже его. Период повышенного избыточного давления называется фазой сжатия, а период пониженного давления – фазой разрежения.

Действие воздушной ударной  волны на здания и сооружения определяется не только избыточным давлением, но и  действием скоростного напора воздушных масс, величину которого можно определить по следующему соотношению:

,

для воздуха  , тогда

,

где  .

Для случая нормального отражения  от ограждающих и внутренних конструкций избыточное давление (МПа) на фронте отраженной взрывной ударной волны

.

Внутренний взрыв характеризуется  тем, что нагрузка воздействует на объект изнутри. Возникающие нагрузки зависят  от многих факторов: типа взрывчатого вещества, его массы, полноты заполнения внутреннего объема помещения взрывчатым веществом, его местоположения во внутреннем объеме и т.д. Полное решение задачи определения параметров взрыва является сложной задачей, с ним можно познакомиться в специальной литературе.

Для горючих газов, паров легковоспламеняющихся  и горючих жидкостей, состоящих  из атомов Н, О, N, Cl, F, Br, избыточное давление взрыва

,

где  Р_max – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме; определяется экспериментально или по справочным данным, при отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа;

Р₀ – начальное давление, кПа; допускается принимать равным 101 кПа;

- масса горючего газа или  паров легковоспламеняющейся или  горючей жидкости, поступивших в  результате аварии в помещение,  кг;

Z – доля участия взвешенного дисперсного продукта во взрыве;

- плотность газа кг/м³;

V_св – свободный объем помещения, м³; определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием; если свободный объем помещения определить невозможно, то его принимают условно равным 80 % геометрического объема помещения;

С_cr – стехиометрический коэффициент;

К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения; допускается принимать равным 3.

Избыточное давление взрыва для  химических веществ кроме упомянутых выше, а также для смесей

,

где  Н_г – теплота сгорания, Дж/кг;

r_св – плотность воздуха до взрыва при начальной температуре, кг/м³;

С_р – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг×К);

Т₀ – начальная температура воздуха, К.

Взрыв газового облака. Причинами  взрывов могут быть большие газовые облака, образующиеся при утечках или внезапном разрушении герметичных емкостей, трубопроводов и т.п. Процесс взрыва или горения таких газовых облаков имеет ряд специфических особенностей, что приводит к необходимости рассмотреть эти процессы отдельно. Образующиеся в атмосфере газовые облака чаще всего имеют сигарообразную форму, вытянутую по направлению ветра. Инициаторы горения или взрыва в этих случаях носят чаще всего случайный характер. Причем воспламенение не всегда сопровождается взрывом.

При плохом перемешивании газообразных веществ с атмосферным воздухом взрыва вообще не наблюдается. В этом случае при воспламенении газо- или  паровоздушной смеси от места  инициирования с дозвуковой скоростью  будет распространяться «волна горения». Так как распространение пламени происходит со сравнительно низкой дозвуковой скоростью, в волне горения давление не повышается. В таком процессе имеет место только расширение продуктов горения за счет их нагрева в зоне пламени, и давление успевает выровняться по всему объему. Медленный режим горения облака с наружной поверхности с большим выделением лучистой энергии может привести к образованию множества очагов пожаров на промышленном объекте.

При оценке разрушительного действия взрыва газового облака в открытом пространстве необходимо определить избыточное давление (скоростной напор) во фронте пламени. Если пламя распространяется от точечного источника зажигания в неограниченном пространстве, то оно имеет форму, близкую к сфере радиуса r, который непрерывно увеличивается по закону

,

где  u – нормальная скорость пламени;

e - степень расширения газов при сгорании;

c - коэффициент искривления фронта пламени;

t – текущее значение времени, отсчитываемое от момента зажигания.

В произвольной точке M на расстоянии х от точки воспламенения скорость газа

,

где  v₀ – скорость движения фронта пламени при свободном сгорании;

.

Если в точке М расположен какой-либо объект, то на него воздействует скоростной напор

,

где  r - плотность газов при нормальных условиях.

Скоростной напор достигает  максимума, когда фронт пламени  подходит непосредственно к данному  объекту. Для пламени предельных углеводородов скоростной напор в открытом пространстве может достигать 26 кПа.

По избыточному давлению взрыва можно ориентировочно оценить степень  разрушения различных видов объектов.

Оценка пожароопасных  зон.

Под пожаром обычно понимают неконтролируемый процесс горения, сопровождающийся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей. Пожар может принимать различные формы, однако все они в конечном счете сводятся к химической реакции между горючими веществами и кислородом воздуха (или иным видом окислительных сред), возникающей при наличии инициатора горения или в условиях самовоспламенения.

Образование пламени связано с  газообразным состоянием веществ, поэтому  горение жидких и твердых веществ  предполагает их переход в газообразную фазу. В случае горения жидкостей этот процесс этот процесс обычно заключается в простом кипении с испарением у поверхности. При горении почти всех твердых материалов образование веществ, способных улетучиваться с поверхности материала, и попадание в область пламени происходит путем химического разложения (пиролиза). Большинство пожаров связано с горением твердых материалов, хотя начальная стадия пожара может быть связана с горением жидких и газообразных горючих веществ, широко используемых в современном промышленном производстве.